Primer principio de la Termodinamica. Energia interna

El primer principio de la Termodinámica es una expresión del principio de conservación de la energía aplicado a un sistema termodinámico. Calculemos el balance energético de una sustancia en contacto con el exterior. Cada sustancia tiene una determinada energía interna (U), debida a las energías microscópicas de sus partículas, que depende de la cantidad y del tipo de sustancia, así como de la temperatura, la presión, etc. Dicha sustancia puede intercambiar energía tanto en forma de calor como en forma de trabajo. Como la energía total se ha de conservar, la energía neta que gane o pierda el sistema, como consecuencia de los anteriores intercambios, ha de ser igual al cambio en energía interna de dicho sistema.

Se suele utilizar el siguiente convenio de signos. El calor Q que se suministra al sistema se considera positivo, mientras que el trabajo W que se realiza sobre el sistema se toma como negativo (y, por tanto, el realizado por el sistema como positivo). Con dicho convenio, el primer principio de la Termodinámica dice lo siguiente:

Fórmula del Primer principio de la Termodinamica

El cambio en energía interna de un sistema es igual al calor suministrado al mismo, menos el trabajo por él realizado.

Primer principio de la Termodinamica

La energía interna es una variable de estado, es decir, depende únicamente del estado en que se encuentra el sistema, pero no de cómo ha llegado a él. En un gas, por ejemplo, U es una función de p y V únicamente, pues ambas variables determinan el estado del sistema. A cada punto del plano p — V le corresponde una U, independiente del camino que se haya seguido hasta llegar a él. No ocurre lo mismo con el calor y el trabajo, que no son variables de estado. Podemos llegar a un mismo estado final mediante procesos distintos que involucren cantidades de calor y de trabajo diferentes, si bien su suma (o diferencia, según el convenio de signos anterior) sí que habrá de ser la misma. Por ello no es correcto decir que un sistema posee una determinada cantidad de calor. Sí que es adecuado, sin embargo, decir que en un proceso se ha transferido una cierta cantidad de calor. También es correcto hablar de la energía interna que posee un sistema, la cual ha podido ser suministrada en forma de calor o en forma de trabajo.

Puede demostrarse, si bien no lo haremos aquí, que la energía interna de un gas ideal sólo depende de la temperatura y es igual
Energia interna de un gas ideal

Esta energía interna corresponde a la energía cinética de traslación de las moléculas del gas, que es proporcional a la temperatura. Para gases no ideales y sólidos y líquidos, la energía interna depende fundamentalmente de la temperatura, y en menor medida de la presión o del volumen.


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