La primera ley de la termodinámica establece que: "La energía total de un sistema aislado ni se crea ni se destruye, permanece constante". Es un principio que refleja la conservación de la energía.
La energía sólo se transforma de un tipo a otro. Cuando desaparece una clase de energía debe producirse una cantidad equivalente de otra clase.
Un cuerpo puede tener cierta velocidad. Tener velocidad implica energía cinética. Si pierde velocidad pierde energía cinética; que se transforma en otro tipo de energía. La conversión puede ser a energía potencial (si adquiere altura), energía calorífica (si existe algún tipo de rozamiento que provoca que se caliente), etc.
El primer principio de la termodinámica permite definir el postulado de la primera ley de la termodinámica:
Si a cualquier sistema adiabático, le suministramos una cierta cantidad de energía mecánica W, esta energía sólo provoca un incremento en la energía interna del sistema U. De manera que:
Primera ley de termodinámica para sistemas no aislados
Si el sistema no está aislado esta igualdad no se cumple y el sistema sufre una variación de calor.
Para la primera ley de la termodinámica, no hay un paso trivial de la concepción física desde la vista del sistema cerrado a una vista del sistema abierto.
Para los sistemas cerrados, los conceptos de un recinto adiabático y de una pared adiabática son fundamentales. La materia y la energía interna no pueden penetrar o penetrar en tal pared. Para un sistema no aislado, hay un muro que permite la penetración de la materia.
En general, la materia en movimiento difusivo lleva consigo algo de energía interna. Algunos cambios de energía potencial microscópica acompañan el movimiento. Un sistema abierto no está adiabáticamente cerrado.
Hay algunos casos en los que un proceso para un sistema no aislado puede, para fines particulares, considerarse como si fuera un sistema aislado.
En un sistema abierto, por definición, hipotética o potencialmente, la materia puede pasar entre el sistema y su entorno. Pero cuando, en un caso particular, el proceso de interés involucra sólo hipotética o potencial pero no pasaje real de la materia, el proceso puede considerarse como si fuera para un sistema cerrado.
Criterio de signos
W es el trabajo realizado sobre o por el sistema. Si el trabajo lo realiza el sistema, W es negativo. Si el trabajo se realiza sobre el sistema, W es positivo.
ΔQ es la cantidad de calor absorbido o emitido por una máquina térmica. Si la transferencia neta de calor es hacia el sistema, ΔQ será positiva. Si la transferencia de energía neta sale del sistema, ΔQ será negativa.
Este criterio de signos es importante, ya que varía en función del autor.
¿Qué es un sistema adiabático?
Un proceso adiabático es aquel en el que el sistema no intercambia calor con su entorno. Está en equilibrio térmico. Un proceso adiabático que es, además, reversible, es un proceso isentrópico.
El término adiabático hace referencia a volúmenes que impiden la transferencia de calor con el entorno. Una pared aislada se aproxima bastante a un límite adiabático.
Un proceso adiabático se realiza con una variación de calor constante. En un proceso isobárico se realiza a presión constante.
¿Qué es la energía interna?
La energía interna es la energía necesaria para crear un sistema en ausencia de cambios en la temperatura o el volumen.
Joule realizó un experimento en el que concluía que la energía transferida en una máquina térmica pasaba a formar parte de la energía interna de la máquina.
Estas experiencias sirven para extender esta observación a todo sistema termodinámico y postular que: si a cualquier sistema aislado, le suministramos una cierta cantidad de energía mecánica W, ésta sólo provoca un incremento en la energía interna del sistema U, por la cantidad U de manera que:
La variación de energía interna es igual al trabajo suministrado.
Esta igualdad que se aplica al sistema aislado, constituye la definición de la energía interna U.
La energía interna, en el sistema internacional de unidades se mide en julios (J).
La existencia de esta cantidad para cualquier sistema es el postulado conocido como: el primer principio de la termodinámica.
Entalpía
La entalpía se define por H = U + PV
donde P y V son la presión y el volúmen, y U es la energía interna. El concepto de la entalpía es paralelo al primer principio en un sistema a presión constante.
¿Qué pasa si el sistema no está aislado?
Si el sistema no está aislado se observa que:
La energía que falta se debe a las pérdidas de calor. Las pérdidas se deben a la transferencia de calor del sistema al exterior a consecuencia de sus diferencias de temperatura.
Entonces podemos escribir:
En resumen podemos decir, que la formulación matemática de la primera ley de la termodinámica, ecuación anterior, contiene tres ideas afines:
La existencia de una función de energía interna.
El principio de conservación de la energía,
La definición de calor como energía en tránsito
Resumen y conclusiones
La primera ley de la termodinámica es lo mismo que la ley de la conservación de la energía. Este principio establece que:
En un sistema aislado la energía ni se crea ni se destruye. Sólo sufre transformaciones.
Si a un sistema se le aplica un trabajo mecánico, su energía interna varía.
Si el sistema no está aislado, parte de la energía se transforma en calor que puede salir o entrar en el sistema.
Un sistema aislado es un sistema adiabático. El calor no puede ni entrar ni salir. No se realiza ninguna transferencia de calor.