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Primera ley de la termodinámica
Trabajo y calor en procesos
termodinámicos
En el termodinamica hay dos casos de variables:
Variables de estado – presion, temperatura, energia
interna.
Variables de transferencia: trabajo, calor, ondas
mecanicas.
El Trabajo: Tenemos un gas en un recipiente, un embolo
movil de area A. El gas ocupa un volumen V y ejerce una
precion uniforme P sobre las paredes del cilindro y del
embolo. Tenemos una fuerza enterna que actua. Tenemos
que encontrar trabajo.
El trabajo total cuando el volumen
cambia de Vi a Vf es:
Vf
W = ∫ PdV
Vi
El trabajo efectuado en la expansión desde el estado
inicial hasta el estado final es el área bajo la curva en
un diagrama PV. Proceso casi estático significa que el
proceso es despacio y en todo momento el sistema
esta en equilibrio.
El trabajo realizado depende de la trayectoria particular
seguida desde el estado inicial al estado final.
• El volumen de gas se
reduce de Vi a Vf a una
presión constante igual a
Pi y después se incrementa
la presión de Pi a Pf,
calentando el gas a
volumen constante Vf. El
trabajo realizado es el área
bajo la curva en un
diagrama PV
• Segundo caso: La
presion del gas
aumenta de Pi a Pf a
volumen constante y a
continuacion el
volumen del gas se
reduce de Vi a Vf a
presion constante Pf.
• El trabao realizado es
mayor de en caso 1.
• Caso tres: Tanto P
como V cambian
de manera
continua, el
trabajo tiene valor
intermedio.
Energia transferida en forma de calor asi como el trabajo
realizado dependen del proceso seguido entre los estados
inicial y final del sistema.
• La primera ley de la termodinámica es una
generalización de la ley de conservación de la
energía que incluye los posibles cambios en la
energía interna.
• La energía se puede intercambiar entre un sistema y
sus alrededores de dos formas. Una es realizando
trabajo por o sobre el sistema, considerando de las
variables macroscópicas tales como presión,
volumen y temperatura.
• La otra forma es por transferencia de calor, la que se
realiza a escala microscópica.
Podemos decir que el sistema tiene una energía térmica, a
esta energía se le llama energía interna U.
Si se efectua un trabajo sobre un sistema sin intercambiar
calor (adiabático), el cambio en la energía interna es igual al
negativo trabajo realizado:
dU = -dW
infinitesimal
UB - UA = - WA → B
finito
La energía interna se relaciona con la energía de las
moléculas de un sistema térmico, y es solo función de las
variables termodinámicas.
Aplicaciones de la primera ley
Expansión libre adiabática
Un trabajo es adiabático si no
entra o sale energía térmica
del sistemas, es decir, si Q = 0.
En tal caso:
∆U = − W
Como Q = 0 y W = 0, ∆U = 0
Un proceso a presión constante se denomina isobárico, el
trabajo realizado es: P (Vf – Vi).
Un proceso a volumen constante se llama isovolumétrico, en tal
proceso el trabajo es cero y entonces: ∆U = Q
Un proceso a temperatura constante se llama isotérmico. Si
consideramos un gas ideal es trabajo es:
Vf
Vf
Vi
Vi
W = ∫ PdV = ∫
⎛Vf
W = nRT ln⎜⎜
⎝ Vi
⎞
⎟⎟
⎠
nRT
dV
V