Instituto de Educación Superior "Domingo Faustino Sarmiento"


"Primer Principio de la Termodinámica"

Profesorado para la Educación Secundaria en Biología

Alumna:  Arzamendia, Romina Giselle
    Ayala, Rocio Milagros.
        Miño, gabriela elizabeth
Martinez, Juana         

Año: 1° Comisión: "B"                                  

Primer Principio de la Termodinámica

                                                      INTRODUCCIÓN
     En el presente trabajo, el tema a desarrollar es "El Primer Principio de la Termodinámica". Se procede a detallar la experiencia realizada por Joule relacionada con la energía interna del gas y del cálculo del equivalente mecánico del calor.

     Se adjunta el audio de la lectura del trabajo realizado por cada una de las integrantes del grupo, que se detallaaron anteriormente.


     Comenzando a desarrollar el tema...

     Primer principio de la termodinámica

Cuando se entrega calor a un gas y se mantiene constante su presión, parte de ese calor es empleado por el gas en realizar trabajo contra la presión exterior, y parte en aumentar su temperatura.De acuerdo con la teoría cinética, esto último significa que ha aumentado la energía de las moléculas del gas, energía que llamaremos “energía interna” del gas. Proceso que se puede describir de la siguiente manera:

Calor entregado = Trabajo realizado + Aumento de la energía interna del gas.

Lo detallado es la aplicación del “Principio de la conservación de la energía” a procesos en que se produce transformación de calor en trabajo, y recíprocamente.  La relación entre calor, trabajo y variación (aumento o disminución) de energía interna se cumple en todos los procesos naturales.Constituye una ley fundamental, que de la Física ha denominado: Primer Principio de la Termodinámica: En toda transformación entre calor y trabajo, la cantidad de calor entregada a un sistema es igual al trabajo realizado por el sistema más la variación de su energía interna.

Energía interna de un gas.

     Según la experiencia realizada por Joule, de las tres características internas de un gas (p, v y T), la única que no había variado era la temperatura. De allí dedujo que la energía interna de un gas depende únicamente de la temperatura.Se tiene, pues, una forma inmediata de calcular cualquier variación de energía interna.

     Supongamos que por un proceso cualquiera un gas pasa de 20°C a 40°C. Para el cálculo de la ∆ E, nada interesa de cuanto haya ocurrido durante la transformación: sólo interesan 20°C a 40°C. Si en lugar de haber seguido ese proceso arbitrario, el gas hubiera sido calentado a volumen constante de 20°C a 40°C, la ∆ E hubiera valido exactamente lo mismo. Pero en este último caso, es muy sencillo calcularla. Como el proceso es a volumen constante, L = 0, por lo cual Q = ∆ E; y como Q = cr x m x ∆ t, resulta que:

∆ E = cr . m . ∆ t

Fórmula que permite el cálculo de ∆ E en cualquier transformación.



El primer principio de la termodinámica se compone de tres partes.

1 Equivalente mecánico del calor

En las definiciones anteriores se enuncia explícitamente que calor y trabajo son dos formas diferentes de transferencia de energía. Sin embargo, esto no era evidente en los primeros tiempos de la termodinámica.

El calor era algo que pasaba de los cuerpos calientes a los fríos y que estaba asociado exclusivamente al cambio de temperaturas. También a los cambios de fase, de ahí que a la entalpía de fusión se la denominara “calor latente” de fusión. Una caloría se definió como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 g de agua de 14°C a 15°C.

El trabajo, en cambio, era un concepto mecánico, asociado al movimiento de los cuerpos. Nada que ver con las temperaturas. Su unidad de medida (hoy día el julio) es una combinación de masas, distancias y tiempos.

Sin embargo, la experiencia muestra que ambas magnitudes están relacionadas. El conde Rumford fue el primero en sugerir establecer una relación numérica a partir de sus experimentos de que puliendo cañones (esto es, realizando trabajo sobre ellos) se elevaba su temperatura.Fue Joule el primero en establecer esta relación numérica, calculando el “equivalente mecánico del calor” (que en rigor, debería denominarse el “equivalente térmico del trabajo”). Para ello realizó una serie de experimentos que, en esencia, consisten en lo siguiente.

Midió en primer lugar el calor necesario para elevar la temperatura del agua una cierta cantidad.

A continuación procedió a aislar térmicamente el recipiente y mediante una rueda de paletas conectada a una pesa procedió a remover el agua. El descenso de la pesa permitía medir el trabajo realizado y con la agitación del agua se elevaba su temperatura. Comparando el aumento de temperatura mediante agitación con el obtenido añadiendo calor, pudo establecer la equivalencia numérica entre ambos procesos. Su resultado fue muy próximo al valor admitido actualmente, que es 1 cal 4,18 J (existen diferentes definiciones de caloría, cada una con su correspondiente equivalencia).

Por tanto, los experimentos de Joule mostraban que calor y trabajo eran dos facetas del mismo fenómeno y por tanto podían sumarse o transformarse el uno en el otro.

2 Enunciado del primer principio

Los experimentos de Joule no se limitaron a establecer la equivalencia física de calor y trabajo. A base de realizar medidas precisas, pudo establecer el siguiente resultado:

“En un sistema aislado térmicamente, el trabajo necesario para pasar de un estado A a un estado B es independiente del camino” es decir, es indiferente si la pesa se deja caer lenta o rápidamente, o si en lugar de una pesa colocamos un motor eléctrico para mover las paletas, o instalamos un resorte que se va extendiendo, a misma cantidad de trabajo, mismo aumento de temperatura.Esto un cambio importante respecto a lo que ocurre habitualmente con el trabajo, que es una función del camino y por tanto no produce los mismos resultados según como se aplique. La independencia del camino sólo se produce si el proceso es adiabático, Q = 0.Si el sistema no está aislado térmicamente, ya el efecto del trabajo depende del camino. Midiendo independientemente el calor que entra en el sistema, Joule pudo establecer el Primer Principio de la Termodinámica, que hoy podemos formular de la siguiente manera:

“En un sistema que evoluciona desde un estado a otro, la suma del calor y el trabajo que entran en el sistema durante el proceso es independiente del camino”

Es decir que en un proceso general, no adiabático, en el que el sistema pasa del estado A a B

⦁ El trabajo depende del proceso.

⦁ El calor depende del proceso.

⦁ La suma del calor y el trabajo es independiente del proceso.

En el enunciado anterior consideramos como positivo tanto el calor como el trabajo que entran en el sistema.

3 Existencia de una función de estadoLa independencia del camino tiene una consecuencia inmediata crucial:

“La suma del trabajo y el calor en un proceso es igual al incremento de una función de estado.”

A esta función de estado se la denomina energía total. Recordemos que una función de estado es aquella cuyo valor queda completamente definido cuando conocemos los valores de las diferentes variables que definen el estado del sistema (presión, volumen, temperatura,…) y no se precisa saber cómo se ha llegado a ese estado. Cuando se tiene una función de estado, su incremento es simplemente su valor en el estado final menos su valor en el estado inicial∆ E ═ Ef - Eiindependientemente de que el proceso sea cuasiestático o no lo sea.De esta forma el primer principio de la termodinámica se escribe: Q + w ═ ∆ ESi se adopta el criterio de que el trabajo positivo es el que sale, sería Q – W = ∆UEn forma diferencial, tenemos que para pasar de un estado a uno muy próximo, Nótese la diferencia en la notación de los diferenciales.El valor de la energía total, sin entrar en su significado físico, puede construirse a partir de la expresión anterior, de la misma manera que se hace con la energía potencial en mecánica. Consideramos un estado de referencia O, al que le asignamos una energía E0.

La energía de cualquier otro estado viene dada por la suma del calor y el trabajo necesarios para llegar hasta él. Para ir de un estado A a un estado B podemos elegir un camino arbitrario (porque la suma no depende del camino), por lo que siempre podemos elegir uno que pase por O. De esta forma resulta que la suma del calor y el trabajo para ir de A a B es la diferencia entre los dos valores de la energía que acabamos de definir.

Bibliografia:

-Introducción a la Física de A. Maiztegui y J A Sabato (Ed. Kapeluz 1974)-Fisica II -- Enciclopedia Oceano (Ed. Oceano 1999)

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