LA PrimeroLeydaTermodinámica es una aplicación de principiodaconservacióndaenergía para sistemas termodinámicos. Según esta ley, la variación de energía interna de un sistema termodinámico es la diferencia entre la cantidad de calor absorbido por el sistema y el trabajo realizado por él.
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¿Cuál es la primera ley de la termodinámica?
La Primera Ley de la Termodinámica es una consecuencia directa del principio de conservación de la energía. Según este principio, la energía total de un sistemasiempre permanece constante, ya que no está perdida, sino transformada.
Dentro del marco de Termodinámica, son usados nociones más específicas y menos genéricos que los utilizados en el principio de conservación de energía. En la Primera Ley de la Termodinámica, usamos conceptos como energíainterno,calor y trabaja, que son relevantes para el alcance de Máquinas térmicas (aplicaciones tecnológicas de fundamental importancia para la termodinámica).
Imagine una máquina impulsada por vapor, cuando el fluido de trabajo de esa máquina (vapor de agua) recibe calor de una fuente externa, son posibles dos conversiones de energía: el vapor puede tener su propio temperatura aumentado unos pocos grados o, incluso, puede expandir y mover los pistones de esa máquina, realizando así una cierta cantidad de trabaja.
"La variación en la energía interna de un sistema termodinámico corresponde a la diferencia entre la cantidad de calor que absorbe y la cantidad de trabajo que realiza este sistema".
Fórmula de la primera ley de la termodinámica
La fórmula utilizada para describir matemáticamente la Primera Ley de la Termodinámica se muestra a continuación:
U - variación de energía interna (cal o J)
Q - calor (lima o J)
τ - trabajo (cal o J)
Para utilizar esta fórmula, debemos prestar atención a algunas reglas de señales:
ΔU - será positivo si aumenta la temperatura del sistema;
ΔU - será negativo si la temperatura del sistema disminuye;
Q - será positivo si el sistema absorbe calor del ambiente externo;
Q - será negativo, si el sistema da calor al ambiente externo;
τ – será positivo si el sistema se expande, realizando trabajos en el entorno externo;
τ – será negativo si el sistema se contrae, recibiendo trabajo del entorno externo.
variación de energía interna
El término ΔU se refiere al cambio de energía atribuido al energía cinética de las partículas constituyentes del sistema, en el caso de un gas ideal, se puede decir que ΔU es equivalente a:
No - número de moles (mol)
R - constante universal de gases ideales (0.082 atm.l / mol. K o 8,31 J / mol. K)
T - temperatura absoluta (kelvin)
Analizando las fórmulas, se puede ver que, si no hay cambio de temperatura en el sistema, su energía interna también permanecerá sin cambios. Además, es importante decir que para las máquinas térmicas, que operan en ciclos, la variación de la energía interna, al final de cada ciclo, debe ser nula, porque en ese punto, el motor vuelve a funcionar con la temperatura inicial.
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Calor
Pasando al siguiente término, Q, que se refiere a la cantidad de calor transferido al sistema, usualmente usamos el ecuación fundamental de calorimetría, mostrado a continuación:
Q -calor (lima o J)
metro - masa (go kg)
C - calor específico (cal / gºC o J / kg. K)
ΔT - variación de temperatura (centígrados o kelvin)
Trabaja
La última de las cantidades relacionadas con la Primera Ley de la Termodinámica es el trabajo (τ), que tiene un fórmula analítica solo para transformaciones que ocurren bajo presión constante, también conocida como transformaciones isobáricas, mirar:
PAG - presión (Pa o atm)
ΔV - variación de volumen (m³ ol)
Cuando la presión ejercida sobre el sistema no es constante, el trabajo se puede calcular mediante el área de la gráfica de presión versus volumen (P x V). Para obtener más información sobre esta magnitud escalar, visite: trabaja.
ejercicios resueltos
Pregunta 1)(CefetMG) El trabajo realizado en ciclo térmico cerrado es igual a 100 J, y el calor involucrado en los intercambios térmicos es igual a 1000 J y 900 J, respectivamente, con fuentes de calor y frío.
De la Primera Ley de la Termodinámica, la variación de la energía interna en este ciclo térmico, en julios, es
a) 0
b) 100
c) 800
d) 900
e) 1000
Resolución
Alternativa a.
Resolvamos el ejercicio usando la Primera Ley de la Termodinámica, tenga en cuenta:
Según el enunciado, se nos pide que calculemos la variación de la energía interna en un ciclo termodinámico cerrado, en cuyo caso sabemos que el La variación de energía interna debe ser cero, ya que la máquina volverá a funcionar a la misma temperatura que tenía al comienzo del ciclo.
Pregunta 2)(Upf) Una muestra de un gas ideal se expande duplicando su volumen durante una transformación isobárica y adiabática. Considerando que la presión que experimenta el gas es de 5,106 Pa y su volumen inicial 2.10-5 m³, podemos decir:
a) El calor absorbido por el gas durante el proceso es de 25 cal.
b) El trabajo realizado por el gas durante su expansión es de 100 cal.
c) La variación de energía interna del gas es de –100 J.
d) La temperatura del gas permanece constante.
e) Ninguna de las anteriores.
Resolución
Alternativa c.
Usando la información proporcionada por la declaración del ejercicio, usaremos la Primera Ley de la Termodinámica para encontrar la alternativa correcta:
Pregunta 3)(Guau) Un bote de cocina contiene gas a alta presión. Cuando abrimos este cilindro, notamos que el gas se escapa rápidamente a la atmósfera. Como este proceso es muy rápido, podemos considerarlo un proceso adiabático.
Considerando que la Primera Ley de la Termodinámica viene dada por ΔU = Q - W, donde ΔU es el cambio de energía dentro del gas, Q es la energía transferida en forma de calor y W es el trabajo realizado por el gas, esto es correcto Establece eso, afirma eso:
a) La presión del gas aumentó y la temperatura disminuyó.
b) El trabajo realizado por el gas fue positivo y la temperatura del gas no varió.
c) El trabajo realizado por el gas fue positivo y la temperatura del gas disminuyó.
d) La presión del gas aumentó y el trabajo realizado fue negativo.
Resolución
Alternativa c.
Una vez que el volumen de gas se expande, decimos que el trabajo realizado fue positivo, es decir, el propio gas realizó trabajo sobre el ambiente externo. Además, dado que el proceso ocurre muy rápido, no hay tiempo para que el gas intercambie calor con el entorno, por lo que ocurre lo siguiente:
Según el cálculo, la energía interna del gas disminuye en una cantidad igual al trabajo realizado. por el gas, además, dado que hay una disminución en la energía interna del gas, también hay una disminución en temperatura.
Pregunta 4)(Udesc) En un laboratorio de física se realizan experimentos con un gas que, a efectos de análisis termodinámico, puede considerarse un gas ideal. Del análisis de uno de los experimentos, en el que el gas se sometió a un proceso termodinámico, se concluyó que todo el calor aportado al gas se convertía en trabajo.
Marque la alternativa que representa correctamente el proceso termodinámico realizado en el experimento.
a) proceso isovolumétrico
b) proceso isotermo
c) proceso isobárico
d) proceso adiabático
e) proceso compuesto: isobárico e isovolumétrico
Resolución
Alternativa b.
Para que todo el calor suministrado a un gas se convierta en trabajo, no debe haber absorción de energía interna por es decir, el gas necesita pasar por un proceso isotérmico, es decir, un proceso que tiene lugar a temperatura constante.
Por Rafael Hellerbrock
Profesor de física
Fuente: Escuela Brasil - https://brasilescola.uol.com.br/fisica/primeira-lei-da-termodinamica.htm
