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Primera ley de la termodinámica

1850

Julius Robert von Mayer
James Prescott Joule
Hermann von Helmholtz
Rudolf Clausius

(Imagen generada únicamente con fines ilustrativos)

The First Law is a statement of the conservación de la energía. It posits that the change in a closed system’s internal energy ([latex]\Delta U[/latex]) is equal to the heat supplied to the system ([latex]Q[/latex]) minus the work done by the system on its surroundings ([latex]W[/latex]). The governing equation is [latex]\Delta U = Q – W[/latex]. This law links heat, work, and internal energy, establishing heat as a form of energy transfer.

La Primera Ley de la Termodinámica generalizó el principio de conservación de la energía, previamente conocido en mecánica, incluyendo el calor. Su formulación representó un avance fundamental en la física, ya que refutó definitivamente la teoría calórica imperante, que consideraba el calor como un fluido ingrávido. Los experimentos de James Joule en la década de 1840, que demostraron el equivalente mecánico del calor, fueron cruciales para establecer que el calor y el trabajo son mutuamente convertibles.

The law introduces internal energy ([latex]U[/latex]) as a state function, meaning its value depends only on the current state of the system, not on how it got there. In contrast, heat ([latex]Q[/latex]) and work ([latex]W[/latex]) are path-dependent process quantities. The law’s differential form is [latex]dU = \delta Q – \delta W[/latex]. For a cyclic process, where the system returns to its initial state, the change in internal energy is zero ([latex]\Delta U = 0[/latex]), so the net heat supplied equals the net work done. This principle is the basis for all heat engines. The law also implies the impossibility of a perpetual motion machine of the first kind—a machine that produces work without any energy input.

Desarrollo de productos de bucle cerrado, Energía, Entalpía, Tratamiento térmico, Ingeniería Mecánica, Optimización de procesos, Gestión de calidad, Termodinámica

UNESCO Nomenclature: 2212

- Termodinámica, física estadística y materia condensada

Tipo

Sistema abstracto

Ruptura

Revolucionario

Uso

Uso generalizado

Precursores

Sadi Carnot’s analysis of heat engines and thermodynamic cycles
James Joule’s experiments on the mechanical equivalent of heat
rechazo de la teoría calórica del calor
Principio de conservación de la energía en mecánica formulado por Leibniz y otros.

Aplicaciones

motores térmicos (combustión interna, turbinas de vapor)
refrigeradores, aires acondicionados y bombas de calor
análisis de reacciones químicas (cálculos de entalpía)
Diseño de plantas de energía y análisis de eficiencia
calorimetría nutricional para calcular la energía alimentaria (calorías)

Patentes:

Ideas para posibles innovaciones

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Related to: first law, conservation of energy, internal energy, heat, work, thermodynamics, enthalpy, closed system, state function, perpetual motion.

Contexto histórico

Laboratorio del siglo XIX con instrumentos termodinámicos y ecuaciones de relación de Mayer.

Relación de Mayer (termodinámica)

La relación de Mayer relaciona los calores específicos de un gas perfecto con la constante específica de los gases ([latex]R_s[/latex]). La relación es [latex]c_p - c_v = R_s[/latex]. Para los calores específicos molares ([latex]C_p[/latex] y [latex]C_v[/latex]), la relación es [latex]C_p - C_v = R[/latex], donde [latex]R[/latex] es la constante universal de los gases. Esto demuestra que [latex]c_p[/latex] es siempre mayor que [latex]c_v[/latex].

Laboratorio del siglo XIX con físicos que estudian los principios de conservación de la energía.

Conservación de energía

Principio fundamental según el cual la energía total de un sistema aislado permanece constante a lo largo del tiempo. La energía no puede crearse ni destruirse, sólo transformarse de una forma a otra, por ejemplo, de energía potencial a energía cinética. En mecánica clásica, para sistemas con sólo fuerzas conservativas, la energía mecánica total [latex]E = T + V[/latex] se conserva.

Montaje de laboratorio para medir la viscosidad de los fluidos a distintas temperaturas en termodinámica.

Dependencia de la temperatura de la viscosidad

En un fluido newtoniano, la viscosidad es función de la temperatura y la presión, pero no de la velocidad de cizallamiento. En líquidos, la viscosidad disminuye significativamente al aumentar la temperatura, ya que una mayor energía térmica permite que las moléculas superen las fuerzas intermoleculares cohesivas con mayor facilidad. Por el contrario, en gases, la viscosidad aumenta con la temperatura, ya que las colisiones moleculares más frecuentes a mayor velocidad provocan una mayor transferencia de momento.

Primera ley de la termodinámica

Químico realizando experimentos con catalizadores en un laboratorio de época, 1850.

Catalizador en equilibrio químico

Un catalizador aumenta la velocidad de las reacciones directa e inversa por igual al proporcionar una vía de reacción alternativa con menor energía de activación. Si bien un catalizador permite que un sistema alcance el equilibrio mucho más rápido, no altera la posición del equilibrio en sí. Las concentraciones de equilibrio de reactivos y productos, así como el valor de la constante de equilibrio K, permanecen inalterados.

Químico del siglo XIX que mide el volumen de los gases para ilustrar la ley de los gases ideales en termodinámica.

Ley de los gases ideales (forma molar)

La ley de los gases ideales es la ecuación de estado de un gas ideal hipotético, que aproxima el comportamiento de muchos gases en diversas condiciones. La forma molar relaciona la presión ([latex]P[/latex]), el volumen ([latex]V[/latex]), la cantidad de sustancia en moles ([latex]n[/latex]) y la temperatura absoluta ([latex]T[/latex]) mediante la constante universal de los gases ([latex]R[/latex]): [latex]PV = nRT[/latex].

Aparatos de laboratorio para medir la presión de vapor y la temperatura en termodinámica.

Relación de Clausius-Clapeyron

La relación Clausius-Clapeyron describe la relación entre presión y temperatura para una sustancia en una transición de fase, como líquido y vapor. Para el vapor de agua, muestra que la presión de vapor de saturación aumenta exponencialmente con la temperatura. La forma aproximada es [latex]\frac{dp}{dT} = \frac{L}{T(V_v - V_l)} \approx \frac{L p}{R_v T^2}[/latex], donde L es el calor latente.

1842

1847

1850

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1850

1851

Demostración del calentamiento Joule en un laboratorio antiguo con aparatos eléctricos.

Calefacción Joule y energía eléctrica

El calentamiento Joule, o calentamiento óhmico, es el fenómeno en el que se produce calor por el paso de una corriente eléctrica a través de un conductor. La tasa de generación de calor, o potencia disipada ([latex]P[/latex]), viene dada por la primera ley de Joule, [latex]P = VI[/latex]. Combinando esto con la ley de Ohm, la potencia puede expresarse como [latex]P = I^2 R[/latex] o [latex]P = \frac{V^2}{R}[/latex].

Aparato de laboratorio para medir la energía interna y la entalpía de un gas perfecto en termodinámica.

Energía interna y entalpía de un gas perfecto

Para un gas perfecto, la energía interna ([latex]U[/latex]) y la entalpía ([latex]H[/latex]) son sólo funciones de la temperatura. Sus cambios vienen dados por [latex]\Delta U = m c_v \Delta T[/latex] y [latex]\Delta H = m c_p \Delta T[/latex], donde [latex]c_v[/latex] y [latex]c_p[/latex] son los calores específicos a volumen y presión constantes, respectivamente, y se suponen constantes.

Investigador probando las propiedades viscoelásticas de un polímero sintético en un laboratorio.

Viscoelasticidad

La viscoelasticidad es la propiedad de los materiales que presentan características viscosas y elásticas al deformarse. Los materiales viscosos, como la miel, resisten el flujo cortante y la deformación linealmente con el tiempo cuando se les aplica una tensión. Los materiales elásticos, como una banda elástica, se deforman al estirarse y vuelven rápidamente a su estado original una vez que se elimina la tensión. Los materiales viscoelásticos tienen elementos de ambos.

Científico midiendo la sublimación en un laboratorio antiguo, estudio de termodinámica.

Enthalpy of Sublimation

La entalpía de sublimación, [latex]\Delta H_{text{sub}}[/latex], es el calor necesario para convertir un mol de una sustancia de sólido a gas a una temperatura y presión dadas. Según la Ley de Hess, puesto que la entalpía es una función de estado, este cambio de energía es la suma de la entalpía de fusión ([latex]\Delta H_{text{fus}}[/latex]) y la entalpía de vaporización ([latex]\Delta H_{text{vap}}[/latex]).