3. Primer principio de la termodinámica

En todo sistema termodinámico, existen dos formas de aumentar o disminuir su energía:

1. Mediante la realización de un trabajo (W)

Imaginemos una jeringuilla clínica a la que hemos obturado la boca, de forma que no pueda escapar el gas contenido en su interior. Si ahora empujamos el émbolo presionando, el gas se comprime. El sistema termodinámico ha cambiado sus variables, ahora la presión es mayor y el volumen es menor. De hecho, la energía del sistema ha aumentado, como podemos comprobar si dejamos en libertad el émbolo, momento en el que se desplazará en sentido contrario hasta recuperar su posición inicial. La situación es similar a la compresión de un muelle.

La característica del trabajo como transferencia de energía es que el movimiento de las partículas es ordenado, visible a escala macroscópica.

 

2. Mediante el intercambio de calor (Q)

Otra forma más común para intercambiar calor entre sistemas es a través de su calentamiento; según se vio al comienzo del tema, cuando se ponen en contacto dos sistemas a diferente temperatura se produce una transferencia de energía en forma de calor del cuerpo más caliente hacia el más frío. Este mecanismo es el utilizado para cocinar o calentar una habitación. También en el proceso de cambio de estado debe transferirse calor para que éste se produzca.

Cuando se transfiere energía en forma de calor, éste se transmite en forma de choques a escala de partículas, provocando el movimiento desordenado de las partículas del sistema.

Icono IDevice Actividad

El intercambio de energía entre sistemas puede realizarse de dos formas:

  • En forma de trabajo cuando alguna fuerza provoca un desplazamiento.
  • En forma de calor cuando existe diferencia de temperaturas o se produce un cambio de estado.

La transferencia de energía de una u otra forma es equivalente, tal y como demostró a mediados del siglo XIX el inglés J. Joule, demostrando en su experiencia que la realización de un trabajo podía aumentar la temperatura de un sistema térmicamente aislado en su famoso experimento, que puedes simular en la siguiente animación:

Animación 5. Ángel Franco García con permiso de uso exclusivamente educativo.
 
En ella se transforma la variación de la energía potencial de las masas al caer en trabajo de rotación de una pala, que a su vez la transmite al sistema como movimiento de sus partículas y el consiguiente incremento de temperatura.
 
Modificando la masa del peso colgante, es posible variar la energía potencial. Puedes comprobar cómo cuanto mayor es ésta, mayor es el aumento de la temperatura del sistema. También puedes observar cómo al aumentar la masa de agua, el incremento de la temperatura es menor para una misma masa.
Icono de iDevice Ejemplo o ejercicio resuelto
Tienes un recipiente que contiene 200 g de agua a 20 ºC.
a) Utilizando la simulación anterior, determina desde qué altura es necesario dejar caer una pesa de 300 kg para elevar su temperatura 2 ºC.

b) ¿Cuál ha sido el trabajo realizado por la pesa en su caída?

c) ¿Y el calor necesario para calentar el agua? Dato: ce_agua = 4180 J/(kg·K).

d) ¿Observas alguna relación entre los resultados anteriores?

AV - Pregunta Verdadero-Falso
Indica si las siguientes afirmaciones relativas al calentamiento del aire contenido en un globo son verdaderas o falsas:


a) Al calentar el aire contenido en un globo, éste se expande.

Verdadero Falso


b) El resultado es el mismo si se le transfieren 200 J de energía calentándolo que si se transfieren 200 J realizando un trabajo.

Verdadero Falso


c) En el proceso termodinámico de calentamiento no se realiza ningún trabajo.

Verdadero Falso
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