1.3 Primer Principio de la Termodinámica
 |
| Imagen 6 Aushulz, Creative commons |
Cuando un sistema evoluciona, su energía puede modificarse mediante dos mecanismos: intercambiando calor (Q) o por realización de trabajo (W). Esta variación se puede expresar como ΔU = Q + W. De acuerdo con el convenio de signos de la imagen, la energía comunicada al sistema desde el entorno se considera positiva, ya que hace aumentar la energía interna del sistema (ΔU>0), mientras que la energía cedida por el sistema es negativa, porque en ese caso ΔU<0. Esta expresión matemática es una forma de enunciado del Primer Principio de la Termodinámica.
Fíjate en que siempre hay la misma cantidad de energía en el universo antes y después de la evolución del sistema, pero ha podido variar su distribución: si aumenta en el sistema, disminuye en el entorno, y al revés. Por esa razón se suele decir que la energía no se crea ni se destruye, sino que solamente se transforma de unas formas a otras y se distribuye de unos sistemas a otros.
| ΔU > 0 | El sistema recibe energía | En forma de calor y/o trabajo |
| ΔU < 0 | El sistema da energía | En forma de calor y/o trabajo |
| ΔU = 0 | El sistema mantiene su energía | Recibe calor y realiza trabajo o cede calor y recibe trabajo |
Actividad
Evolución de sistemas aislados
Como en un sistema aislado no se puede intercambiar energía (es decir, Q=0 y W=0), su variación de energía interna es nula cuando evoluciona. Es decir, su energía interna se conserva.
 |
| Imagen 7 Elaboración propia |
Fíjate en la imagen. La energía potencial gravitatoria de los dos excursionistas es la misma aun cuando ellos tomaron caminos diferentes para llegar a la cima de la montaña partiendo del mismo punto. El trabajo realizado por cada uno de los excursionistas, sin embargo, ha sido distinto. Por tanto, el calor intercambiado en cada recorrido también será distinto. Se dice que la energía potencial gravitatoria es función de estado: en una transformación solamente depende de los estados inicial y final y no del camino seguido, ni de las etapas realizadas.
El calor y el trabajo NO son funciones de estado. El calor y el trabajo NO son propiedades de un sistema. Un sistema "tiene" temperatura, presión, energía interna, ..., pero "NO TIENE" calor ni trabajo. El calor y el trabajo son formas en las que se transfiere la energía de unos sistemas a otros y sus valores dependen del proceso por el que se transfieren.
Por lo visto anteriormente, sería muy conveniente trabajar con funciones de estado. La energía interna, y también el resto de magnitudes termodinámicas, son funciones de estado.
Objetivos
|
| Simulación 1 Marcin Creative commons |
La masa y la energía
Cabría suponer que como en las reacciones nucleares aparece una enorme cantidad de energía y hay una muy pequeña disminución de la masa del sistema cerrado, dejaría de cumplirse el Primer Principio y podría suponerse un fallo en el mismo. Pero ya Einstein resolvió el problema al encontrar una equivalencia entre la masa que desaparece y la energía producida, lo que permite continuar suponiendo válido el Primer Principio de la Termodinámica al extenderlo a la conservación del binomio masa-energía, de acuerdo con su famosa ecuación: