Progresión 9. Primera ley de la termodinámica.

 La energía no se crea ni se destruye.

Desde la antigüedad, el filósofo griego Heráclito capturó la esencia de la naturaleza con su famosa declaración: "La única constante es el cambio". Esta observación refleja una verdad universal acerca de nuestra realidad: las diferentes estaciones cambian el paisaje, que evoluciona con la vida de la flora y la fauna, las aguas fluyen en un ciclo que se repite continuamente, cada año trae consigo signos de nuestro envejecimiento y, en una escala aún más amplia, nuestro propio planeta y el sistema solar que lo acoge, se desplazan a velocidades inimaginables a través del espacio interestelar. Nada permanece estático en el mundo natural, y esto también aplica para la energía.

Primera ley de la termodinámica.

La primera ley de la termodinámica, conocida como la ley de la conservación de la energía dicta que, en un sistema aislado, la energía nos e crea ni se destruye, sino que se transforma de una forma a otra. Esta ley es el resultado de la labor conjunta de varios científicos del siglo XIX, cuyos trabajos proporcionaron la base para su construcción.

Julius Robert Mayer fue uno de los primeros en formular el principio de conservación de la energía. En 1842, propuso que la energía puede convertirse de una forma a otra, pero la cantidad total de la energía se mantiene constante. Su percepción surgió de sus observaciones sobre la sangre venosa, que era inusualmente roja en los marineros durante su viaje por los trópicos, llevándolo a razonar que menos trabajo era necesario para mantener la temperatura corporal en climas cálidos, lo que significa que el trabajo se había convertido en calor.

James Prescot Joule experimentó con la naturaleza del calor y descubrió su relación con el trabajo mecánico. Su experimento más famoso, que incluía el agitar agua con paletas movidas por la caída de pesas, demostró que el trabajo mecánico podía transformarse en calor, estableciendo la equivalencia entre ambos. Estos experimentos, realizados en la década de 1840, fueron fundamentales para el desarrollo de la teoría de la conservación de la energía.

Hermann Von Helmholtz, formuló de manera independiente la ley de conservación de la energía en su obra de 1847 "Sobre la conservación de la fuerza". Presentó una formulación matemática y un argumento filosófico para la conservación de la energía, influyendo en la aceptación de la ley en la comunidad científica.

La consolidación de estas ideas en la primera ley de la termodinámica ha tenido un profundo impacto en el mundo industrial. En la actualidad, esta ley fundamenta el diseño y operación de motores y generadores, permitiendo la conversión eficiente de energía química en mecánica y eléctrica. En sistemas de refrigeración y calefacción, facilita la transferencia de energía térmica de manera controlada. En el campo de la química, guía el desarrollo de procesos que transforman materias primas en productos químicos eficientemente. Además, la ley es crucial en la evaluación de la eficiencia energética de los procesos industriales, ayudando a minimizar el desperdicio de energía y a maximizar la producción de energía útil.

La primera ley de la termodinámica se puede expresar con la fórmula: 

Donde:

ΔU es el cambio en la energía interna del sistema.

Q es la cantidad de calor agregado al sistema (valor positivo indica que el calor es absorbido por el sistema y el valor negativo indica que el calor es liberado por el sistema).4

W es el trabajo realizado por el sistema sobre sus alrededores (valor positivo indica que el trabajo es realizado por el sistema y el valor negativo indica que el trabajo es realizado sobre el sistema).

 🔍Primera ley de la termodinámica.

Algunos ejemplos de aplicación de la fórmula de la primera ley de la termodinámica.

Ejemplo 1.

Una reacción exotérmica dentro de un calorímetro libera 2500 J de calor. Si el calorímetro realiza 300 J de trabajo al expandirse durante la reacción ¿Cuál es el cambio en la energía interna del sistema químico?

Datos:

Q = -2500 J (negativo porque es liberado por el sistema).

W = 300 J (positivo porque es realizado por el sistema).

Fórmula:    🛆U = Q - W

Sustitución:     🛆U = (-2500 J) - (300 J)

                        🛆U = -2800 J

                        Significa que la energía interna disminuye porque el sistema

                        está liberando calor y realizando trabajo.

Ejemplo 2.

Durante un proceso en un motor, se suministran 4000 J de calor al sistema. Si el motor realiza 1200 J de trabajo sobre el entorno, ¿cuál es el cambio en la energía interna del sistema?

Datos:

Q = 4000 J (positivo porque es absorbido por el sistema).

W = 1200 J (positivo porque es realizado por el sistema).

Fórmula:    🛆U = Q - W

Sustitución:     🛆U = (4000 J) - (1200 J)

                        🛆U = 2800 J

                        Significa que la energía interna aumenta porque el sistema

                        absorbe más calor del que utiliza para realizar trabajo.

Ejemplo 3

En determinado proceso, un sistema absorbe 400 cal de calor y al mismo tiempo realiza un trabajo de 80 J sobre sus alrededores ¿cuál es el incremento de energía interna del sistema?

Datos:

Q = 400 cal (positivo porque es absorbido por el sistema).

Se deben transformar las calorías a Joules:

Equivalencia: 1J = 0.239 cal

W = 80J (positivo porque es realizado por el sistema).

Fórmula:    🛆U = Q - W

Sustitución:     🛆U = (1673.640 J) - (80 J)

                        🛆U = 1593.640 J

                        Significa que la energía interna aumenta porque el sistema

                        absorbe más calor del que utiliza para realizar trabajo.

Progresión 8. Termodinámica.

 Termodinámica.

Rama de la física que estudia y describe cómo la energía se transforma de una forma a otra y  cómo afecta a la materia. La termodinámica ha estado ligada a la física y a la ingeniería desde su concepción.

Durante el siglo XVIII, la termodinámica comenzó a tomar forma impulsada por los avances en la tecnología de la máquina de vapor, desarrollada por Thomas Newcomen y mejorada por James Watt, que convertía el calor en trabajo mecánico, planteándose preguntas fundamentales sobre la naturaleza del calor y la eficiencia energética. Paralelamente, la teoría del calórico, que consideraba el calor como un fluido invisible, dominaba el pensamiento científico. Figuras como Joseph Black contribuyeron con investigaciones clave sobre el calor específico y los cambios de fase, como la fusión del hielo, ampliando la comprensión del calor y su comportamiento.

El siglo XIX fue un periodo de avances cruciales en la termodinámica, marcado por la formulación de sus leyes fundamentales. Sadi Carnot, en su obra "Reflexiones sobre la Potencia Motriz del Fuego" de 1824, analizó la eficiencia de las máquinas térmicas, sentando las bases para la segunda ley de la termodinámica. Rudolf Clausius y  William Thomson (Lord Kelvin) fueron pioneros en la determinación de la primera y segunda leyes de la termodinámica, con Clausius introduciendo el concepto de entropía en 1865.

Paralelamente, los experimentos de James Joule y otros relacionaron el trabajo mecánico con el calor, conduciendo también a la primera ley de la termodinámica, conocida como la ley de la conservación de la energía. Además, el desarrollo de la teoría cinética de los gases con las aportaciones de James Clerk Maxwell y Ludwig Boltzmann vinculó las propiedades macroscópicas de éstos con el comportamiento de sus partículas microscópicas, enriqueciendo la comprensión de la materia desde una perspectiva molecular.

Ley cero de la termodinámica.

Cuando la energía se transfiere en forma de calor, siempre fluye del cuerpo o a partir del sistema de mayor temperatura al cuerpo o parte del sistema de menor temperatura.

Los cubos que están en contacto entre sí, eventualmente alcanzarán el equilibrio térmico
y se encontrarán a la misma temperatura.

Por ejemplo, si agregas unos cuantos hielos al agua contenida en un vaso, el líquido se enfriará a la par que los hielos se calentarán. En este caso, el calor fluirá del líquido a los sólidos. Al final, los hielos se habrán derretido cambiando de estado de agregación, sumándose al volumen del liquido que había originalmente. En este  punto, ya no habrá flujo de calor, pues no habrá diferencias de temperatura dentro del sistema: se  habrá llegado al equilibrio térmico.

🔍Equilibrio térmico.

Con lo anterior se demuestra que, si existen dos cuerpos en equilibrio térmico de forma independiente con un tercero, también estarán en equilibrio térmico entre sí. Este principio se denomina Ley cero de la termodinámica.

🔍Ley cero de la termodinámica.

Algunas actividades cotidianas pueden provocar un consumo innecesario de energía, que podría ahorrarse, por ejemplo, mantener la puerta abierta en un refrigerador con puerta transparente mientras eliges lo que vas a consumir, permite que el aire caliente del exterior aumente la temperatura del interior, lo cual tendrá que regularse mediante un consumo adicional de energía eléctrica. Lo ideal es elegir y, posteriormente, abrir.