Las leyes de la termodinámica son algunas de las leyes más importantes en toda la física, y comprender cómo aplicar cada una de ellas es una habilidad crucial para cualquier estudiante de física.

La primera ley de la termodinámica es esencialmente una declaración de la conservación de la energía, pero hay muchos usos para esta formulación específica que deberá comprender si desea resolver problemas relacionados con motores térmicos.

Aprendizaje qué son los procesos adiabáticos, isobáricos, isocróricos e isotérmicos, y cómo aplicar la primera ley de la termodinámica en estas situaciones, le ayuda a describir matemáticamente el comportamiento de un sistema termodinámico a medida que evoluciona en el tiempo.
Energía interna, trabajo y calor

La primera ley de la termodinámica, como las otras leyes de la termodinámica, requiere la comprensión de algunos términos clave. La energía interna de un sistema
es una medida de la energía cinética total y la energía potencial de un sistema aislado de moléculas; intuitivamente, esto solo cuantifica la cantidad de energía contenida en el sistema.

Trabajo termodinámico
es la cantidad de trabajo que un sistema realiza en el medio ambiente, por ejemplo, por la expansión inducida por el calor de Un gas empujando un pistón hacia afuera. Este es un ejemplo de cómo la energía térmica en un proceso termodinámico puede convertirse en energía mecánica, y es el principio fundamental detrás del funcionamiento de muchos motores.

A su vez, calor
o < em> energía térmica
es la transferencia de energía termodinámica entre dos sistemas. Cuando dos sistemas termodinámicos están en contacto (no separados por un aislante) y están a diferentes temperaturas, la transferencia de calor ocurre de esta manera, desde el cuerpo más caliente hacia el más frío. Todas estas tres cantidades son formas de energía, por lo que se miden en julios.
La primera ley de la termodinámica

La primera ley de la termodinámica establece que el calor agregado al sistema aumenta su energía interna, mientras que el trabajo realizado por el sistema reduce la energía interna. En los símbolos, utiliza ∆U
para denotar el cambio en la energía interna, Q
para representar la transferencia de calor y W
para el trabajo realizado por el sistema, y así que la primera ley de la termodinámica es:
∆U \u003d Q - W

La primera ley de la termodinámica, por lo tanto, relaciona la energía interna del sistema con dos formas de transferencia de energía que pueden tener lugar, y como tal es mejor pensar como una declaración de la ley de conservación de la energía.

Cualquier cambio en la energía interna del sistema proviene de la transferencia de calor o del trabajo realizado, con transferencia de calor al sistema y al trabajo. hecho en el sistema aumentando la energía interna, y la transferencia de calor desde el sistema y el trabajo hecho al reducir la energía interna. La expresión en sí es fácil de usar y comprender, pero encontrar expresiones válidas para la transferencia de calor y el trabajo realizado para usar en la ecuación puede ser un desafío en algunos casos.
Ejemplo de la primera ley de la termodinámica

Calor Los motores son un tipo común de sistema termodinámico que se puede utilizar para comprender los conceptos básicos de la primera ley de la termodinámica. Los motores de calor esencialmente convierten la transferencia de calor en trabajo utilizable a través de un proceso de cuatro pasos que involucra la adición de calor a un depósito de gas para aumentar su presión, como resultado, se expande en volumen, la presión se reduce a medida que se extrae calor del gas y finalmente el gas se comprime (es decir, se reduce su volumen) a medida que se trabaja en él para devolverlo al estado original del sistema y comenzar el proceso nuevamente.

Este mismo sistema a menudo se idealiza como un < em> Ciclo de Carnot, en el que todos los procesos son reversibles y no implican cambios en la entropía, con una etapa de expansión isotérmica (es decir, a la misma temperatura), una etapa de expansión adiabática (sin transferencia de calor), una etapa de compresión isotérmica y una etapa de compresión adiabática para devolverlo al estado original.

Ambos procesos (el ciclo de Carnot idealizado y el ciclo del motor térmico) generalmente se trazan en un PV Diagrama
(también llamado diagrama de presión-volumen), y t Estas dos cantidades están relacionadas por la ley del gas ideal, que establece:
PV \u003d nRT

Donde P
\u003d presión, V
\u003d volumen, n
\u003d el número de moles del gas, R
\u003d la constante de gas universal \u003d 8.314 J mol ^{−1 K −1 y T
\u003d temperatura. En combinación con la primera ley de la termodinámica, esta ley puede usarse para describir las etapas de un ciclo de motor térmico. Otra expresión útil proporciona la energía interna U
para un gas ideal:
U \u003d \\ frac {3} {2} nRT El ciclo del motor térmico}

Un enfoque simple para analizar el calor el ciclo del motor es imaginar el proceso que tiene lugar en una caja de lados rectos en el gráfico PV
, con cada etapa ya sea a una presión constante (un proceso isobárico) o un volumen constante (un proceso isocrórico) .

Primero, comenzando desde V
_{1, se agrega calor y la presión aumenta de P
1 a P
2, y dado que el volumen permanece constante, usted sabe que el trabajo realizado es cero. Para abordar esta etapa del problema, crea dos versiones de la ley de los gases ideales para el primer y segundo estado (recordando que V
y n
son constantes): P
1 V
1 \u003d nRT
1 y P
2 V
1 \u003d nRT
2, y luego resta el primero del segundo para obtener:
V_1 (P_2-P_1) \u003d nR (T_2 -T_1)}

Resolviendo el cambio en la temperatura da:
(T_2 - T_1) \u003d \\ frac {V_1 (P_2 - P_1)} {nR}

Si busca el cambio en la energía interna, puede insertar esto en la expresión de energía interna < em> U
para obtener:
\\ begin {alineado} ∆U &\u003d \\ frac {3} {2} nR∆T \\\\ \\\\ &\u003d \\ frac {3} {2} nR \\ bigg ( \\ frac {V_1 (P_2 - P_1)} {nR} \\ bigg) \\\\ \\\\ &\u003d \\ frac {3} {2} V_1 (P_2 -P_1) \\ end {alineado}

Para la segunda etapa en el ciclo, el volumen del gas se expande (y así el gas funciona) y se agrega más calor en el proceso (para mantener una temperatura constante). En este caso, el trabajo W
realizado por el gas es simplemente el cambio en el volumen multiplicado por la presión P
_{2, que da:
W \u003d P_2 (V_2 -V_1)}

Y el cambio de temperatura se encuentra con la ley de gas ideal, como antes (excepto mantener P
_{2 como constante y recordar que el volumen cambia), para ser:
T_2 - T_1 \u003d \\ frac {P_2 (V_2 - V_1)} {nR}}

Si desea averiguar la cantidad exacta de calor agregado, puede usar la ecuación de calor específica a una presión constante para encontrarla. Sin embargo, puede calcular directamente la energía interna del sistema en este punto como antes:
\\ begin {alineado} ∆U &\u003d \\ frac {3} {2} nR∆T \\\\ \\\\ &\u003d \\ frac { 3} {2} nR \\ bigg (\\ frac {P_2 (V_2 - V_1)} {nR} \\ bigg) \\\\ \\\\ &\u003d \\ frac {3} {2} P_2 (V_2 - V_1) \\ end {alineado}

La tercera etapa es esencialmente la inversa de la primera etapa, por lo que la presión disminuye a un volumen constante (esta vez V
_{2), y el calor se extrae del gas. Puede trabajar a través del mismo proceso basado en la ley de gases ideal y la ecuación para obtener la energía interna del sistema:
∆U \u003d - \\ frac {3} {2} V_2 (P_2 - P_1)}

Tenga en cuenta el signo menos inicial esta vez porque la temperatura (y, por lo tanto, la energía) ha disminuido.

Finalmente, la última etapa ve disminuir el volumen a medida que se trabaja en el gas y el calor extraído en un proceso isobárico, produciendo una expresión muy similar a la última vez para el trabajo, excepto con un signo menos inicial:
W \u003d -P_1 (V_2 -V_1)

El mismo cálculo da el cambio en la energía interna como:
∆U \u003d - \\ frac {3} {2} P_1 (V_2 - V_1) Otras leyes de la termodinámica

Podría decirse que la primera ley de la termodinámica es la más útil para un físico, pero las otras tres leyes principales merecen una breve reseña Mencione también (aunque están cubiertos con más detalle en otros artículos). La ley cero de la termodinámica establece que si el sistema A está en equilibrio térmico con el sistema B, y el sistema B está en equilibrio con el sistema C, entonces el sistema A está en equilibrio con el sistema C.

La segunda ley de los estados termodinámicos que la entropía de cualquier sistema cerrado tiende a aumentar.

Finalmente, la tercera ley de la termodinámica establece que la entropía de un sistema se aproxima a un valor constante a medida que la temperatura se acerca al cero absoluto.