La primera ley de la termodinámica es una versión de la ley de conservación de la energía, adaptada para sistemas termodinámicos. Conoce de qué se trata leyendo este artículo.
Definición de la Primera ley de la termodinámica
La ley de conservación de la energía establece que la energía total de un sistema aislado es constante. La energía puede transformarse de una forma a otra, pero no puede ser creada ni destruida.
La primera ley indica que el cambio en la energía interna ΔU de un sistema cerrado es igual a la cantidad de calor Q suministrada al sistema, menos la cantidad de trabajo W realizada por el sistema en su entorno.
ΔU = Q – W
Descripción de la Primera ley de la termodinámica
Rudolf Clausius expresó de dos formas la primera ley de la termodinámica para un sistema cerrado.
Una forma se refería a los procesos cíclicos y las entradas y salidas del sistema, pero no se refería a los incrementos en el estado interno del sistema.
La otra forma se refería a un cambio incremental en el estado interno del sistema y no esperaba que el proceso fuera cíclico.
Un proceso cíclico es uno que puede repetirse indefinidamente a menudo, devolviendo el sistema a su estado inicial.
De particular interés para el ciclo único de un proceso cíclico son el trabajo neto realizado y el calor neto captado (o ‘consumido’, en la declaración de Clausius), por el sistema.
En un proceso cíclico en el que el sistema realiza un trabajo neto en su entorno, se observa que es físicamente necesario no solo que se ingrese calor en el sistema, sino también, de manera importante, que algo de calor abandone el sistema. La diferencia es el calor convertido por el ciclo en trabajo.
En cada repetición de un proceso cíclico, el trabajo neto realizado por el sistema, medido en unidades mecánicas, es proporcional al calor consumido, medido en unidades calorimétricas.
Ejemplo de la Primera ley de la termodinámica
Cuando un motor quema combustible, convierte la energía almacenada en los enlaces químicos del combustible en trabajo mecánico útil y en calor.
Los diferentes tipos de combustible tienen diferentes cantidades de energía, pero en cualquier galón o litro de combustible existe una cantidad fija de energía.
El principio de conservación de la energía definido por la primera ley de la termodinámica dice que cuando toda la energía del combustible se libera al quemarse en los cilindros del motor, no desaparece. La cantidad total de energía permanece igual y debe ser contabilizada.
En este sentido, por cada 100 unidades de energía de combustible que se queman en el motor, cien unidades de energía convertida tienen que terminar en alguna parte. No desaparece.
La primera ley y los trabajos de Joule
James Prescott Joule ayudó a cambiar el mundo al ayudarnos a comprender cómo se comporta realmente la energía.
El conocimiento de que el trabajo mecánico podría convertirse en calor y que podríamos medir y predecir la cantidad de calor que resultaría de una determinada cantidad de trabajo fue un gran descubrimiento, algo realmente importante.
Se nombró una unidad de energía en honor al Sr. Joule. Se llama Joule (J) y en el sistema de unidades SI es equivalente a las unidades mecánicas de trabajo de 1 metro de Newton (fuerza) (longitud). 1 J = 1 N-m.
En su experimento, Joule simplemente sujetó un peso por medio de una polea y cuerda a unas paletas en un recipiente aislado de agua. El peso gira las paletas a medida que cae.
Las paletas giratorias funcionan en el agua (la empujan por todas partes, «batiéndola») igual a la fuerza de la gravedad en el peso por la distancia (L) que la fuerza gravitatoria empuja hacia el peso.
Cuando el peso se detiene, toda su energía potencial al inicio de la «caída» se ha transferido por el proceso de trabajo al agua (menos una pequeña fricción en la polea y las cuerdas).
¿Qué pasó con la energía? Si la primera ley de la termodinámica es cierta, tenía que terminar en algún lugar, no podía simplemente desaparecer.
Joule midió la temperatura del agua y encontró que la temperatura había aumentado. Sí, el agua estaba un poco más caliente porque el trabajo mecánico de las paletas había aumentado el nivel de energía de las moléculas de agua al empujarlas.
Importancia de sus estudios
A través de experimentos como este, Joule y otros, pudieron determinar los valores equivalentes de energía térmica y mecánica. Este conocimiento nos permite realizar un seguimiento de toda la energía en procesos complicados.
Por ejemplo, al saber que una cierta cantidad de trabajo se puede convertir en una cierta cantidad de calor, somos capaces de explicar con precisión toda la energía del combustible como se convierte en un motor.
Sorprendentemente, cuando se mide con cuidado y precisión, toda la energía que se emite iguala a la energía que entra.
