Primera ley de la Termodinámica

Tenemos los suficientes elementos ahora como formular la primera ley de la termodinámica, elementos como equivalente mecánico del calor, energía, trabajo, sistema termodinámico, nos ayudarán a refomular el principio de la conservación de la energía.

Energía interna.

Consideremos un sistema cuyo estado cambia del estado 1 al estado 2. Q será el calor absorbido por el sistema y W el trabajo hecho por el sistema. Entonces utilizando unidades caloríficas o unidades mecánicas calculamos Q-W. Para ello, iniciamos un recorrido partiendo del estado 1 y llegando al 2, lo hacemos una y otra ves realizando caminos diferentes. Encontramos en todos los casos Q-W es constante. Aunque Q y W separadamente dependen de la trayectoria seguida, Q-W depende sólo de los estados inicial y final.

Recordemos ahora algunos conceptos de la mecánica. Cuando un cuerpo se mueve de un punto 1 a un punto 2 en el campo gravitacional sin haber fricción, el trabajo hecho depende sólo de las posiciones de los dos puntos y no de la trayectoria seguidas. Recodemos que denominamos energía potencial a la variación del trabajo, en este caso, el trabajo hecho de 1 a 2, W2-W1. Análogamente, Q-W no depende de las trayectorias seguidas, sólo de los puntos inicial y final. Concluimos, por lo tanto, que hay una función de las coordenadas termodinámica cuyo valor final menos su valor inicial es igual a un cambio Q-W que ocurre en el proceso, esta función se denomina Energía interna.

En consecuencia, la energía interna del sistema en el estado 2, U2, menos la energía interna del sistema en el estado 1, U1, es igual al cambio de energía interna del sistema, y esta cantidad tiene un único valor definido , independientemente de la trayectoria hecha de 1 a 2.

Es decir,

Esta ecuación se conoce como la primera ley de la Termodinámica.

Debemos tener en cuenta que Q se considera positivo cuando entra calor al sistema y W positivo cuando el sistema hace trabajo.

Si nuestro sistema experimenta sólo un cambio infinitesimal en su estado, sólo absorbe una cantidad infinitesimal de calor, dQ, y realiza una cantidad infinitesimal de trabajo, dW, hay una variación de energía también infinitesimal.

La energía interna puede interpretarse en función de energía mecánica microscópica, es decir, de energías cinética y potencial de cada una de las molécula de la sustancia, sin embargo desde el punto de vista termodinámico esto no es necesario.

Si el proceso es cíclico, es decir, el proceso realizado por el sistema es tal que, eventualmente, vuelve a su estado inicial, tenemos

U1=U2

Q=W

De esta manera, aunque durante el proceso el sistema haya realizado trabajo neto W, no se ha creado energía, pues el sistema ha recibido una cantidad igual de energía en forma de calor Q.

En el caso de un sistema aislado, al no realizar trabajo ni recibir calor, todo proceso que tenga lugar en este sistema debe cumplir que: 

W=Q=0

U2-U1=0

En general, la energía interna de un sistema aislado permanece constante. Este es el enunciado más general del principio de la conservación de la energía. La energía interna de un sistema sólo puede variar por un flujo calorífico a través de la superficie que lo limita o por la realización de trabajo. En el caso de que alguno de estos casos suceda, el sistema no es aislado. El incremento de energía del sistema es igual a la energía que recibe en forma de calor, menos la energía que sale del mismo en forma de trabajo.