Primer principiu de la termodinámica

Primer principiu de la termodinámica
	principio de la termodinámica (es)
	Caltenimientu de la enerxía

El primer principiu de la termodinámica o primer llei de la termodinámica^[1] ye un principiu que reflexa la caltenimientu de la enerxía nel contestu de la termodinámica. Más específicamente'l principiu puede formulase como:

Nun sistema zarráu adiabático (que nun hai intercambiu de calor con otros sistemes o la so redolada, como si tuviera aislláu) qu'evoluciona d'un estáu inicial ${\mathcal {A}}$ a otru estáu final ${\mathcal {B}}$ , el trabayu realizáu nun depende nin del tipu de trabayu nin del procesu siguíu.

Más formalmente, esti principiu descomponer en dos partes;

El principiu de l'accesibilidá adiabática»:

El conxuntu de los estaos d'equilibriu a los que puede aportar un sistema termodinámicu zarráu ye, adiabáticamente, un conxuntu a cencielles conexu.

y un «principiu de caltenimientu de la enerxía»:

El trabayu de la conexón adiabática ente dos estaos d'equilibriu d'un sistema zarráu depende puramente de dambos estaos coneutaos.

Esti enunciáu supón formalmente definíu'l conceutu de trabayu termodinámicu, y sabíu que los sistemes termodinámicos namái pueden interaccionar de trés formes distintos (interacción másica, interacción mecánica ya interacción térmica). Polo xeneral, el trabayu ye una magnitú física que nun ye una variable d'estáu del sistema, yá que depende del procesu siguíu por dichu sistema. Esti fechu esperimental, otra manera, amuesa que pa los sistemes zarraos adiabáticos, el trabayu nun va depender del procesu, sinón tan solo de los estaos inicial y final. Arriendes d'ello, va poder ser identificáu cola variación d'una nueva variable d'estáu de dichos sistemes, definida como enerxía interna. Defínese entós la enerxía interna, $O$ , como una variable d'estáu que la so variación nun procesu adiabático ye'l trabayu intercambiáu pol sistema cola so redolada:

$\Delta O=-W$

(W del procesu adiabático)

Cuando'l sistema zarráu evoluciona del estáu inicial A al estáu final B pero por un procesu non adiabático, la variación de la Enerxía tien de ser la mesma, sicasí, agora, el trabayu intercambiáu va ser distintu del trabayu adiabático anterior. La diferencia ente dambos trabayos tien de realizase per mediu d'interacción térmica. Defínese entós la cantidá d'enerxía térmica intercambiada Q (calor) como:

$Q=\Delta O+W\,$

Siendo O la enerxía interna, Q el calor y W el trabayu. Por conveniu, Q ye positivu si va del ambiente al sistema, o negativu en casu contrariu y W, ye positivu si ye realizáu por el sistema y negativu si ye realizáu sobre el sistema. Esta definición suel identificase cola llei de la caltenimientu de la enerxía y, de la mesma, identifica'l calor como una tresferencia d'enerxía. Ye por ello que la llei del caltenimientu de la enerxía utilícese, fundamentalmente por simplicidá, como unu de los enunciaos de la primer llei de la termodinámica:

La variación d'enerxía d'un sistema termodinámicu zarráu ye igual a la diferencia ente la cantidá de calor y la cantidá de trabayu intercambiaos pol sistema cola so contorna.

Na so forma matemática más senciella puede escribise pa cualquier sistema zarráu:

$\Delta O=Q-W\,$

onde:

\Delta O\,

ye la variación d'enerxía del sistema, :

Q\,

ye'l calor intercambiáu pol sistema al traviés d'unes parés bien definíes, y :

W\,

ye'l trabayu intercambiáu pol sistema a la so contorna.

Historia

Mientres la década de 1840, dellos físicos ente los que s'atopaben Joule, Helmholtz y Meyer, fueron desenvolviendo esta llei. Sicasí, fueron primeru Clausius en 1850 y Thomson (Lord Kelvin) un añu dempués quien escribieron los primeros enunciaos formales.^[2]^[3]

Descripción

La forma de tresferencia d'enerxía común pa toles cañes de la física -y llargamente estudiada por éstes- ye'l trabayu.

Dependiendo de la delimitación de los sistemes a estudiar y del enfoque consideráu, el trabayu puede ser carauterizáu como mecánicu, llétricu, etc. pero la so carauterística principal ye'l fechu de tresmitir enerxía y que, polo xeneral, la cantidá d'enerxía tresferida nun depende solamente de los estaos iniciales y finales, sinón tamién de la forma concreta na que se lleven a cabu los procesos.

El calor ye la forma de tresferencia d'un tipu d'enerxía particular, puramente termodinámica, que ye debida namái a que los sistemes atopar a distintes temperatures (ye daqué común na termodinámica catalogar el trabayu como toa tresferencia d'enerxía que nun sía en forma de calor). Los fechos esperimentales acoten qu'esti tipu de tresferencia tamién depende del procesu y non yá de los estaos inicial y final.

Sicasí, lo que los esperimentos sí demuestren ye que dau cualquier procesu de cualquier tipu que lleve a un sistema termodinámicu d'un estáu A a otru B, la suma de la enerxía tresferida en forma de trabayu y la enerxía tresferida en forma de calor siempres ye la mesma ya inviértese n'aumentar la enerxía interna del sistema. Esto ye, que la variación d'enerxía interna del sistema ye independiente del procesu que sufriera. En forma d'ecuación y teniendo en cuenta'l criteriu de signos termodinámicu esta llei queda de la forma:

$\Delta O=\ Q+\ W\,$

Asina, la Primer Llei (o Primer Principiu) de la termodinámica rellaciona magnitúes de procesu (dependientes d'ésti) como son el trabayu y el calor, con una variable d'estáu (independiente del procesu) tal como lo ye la enerxía interna.

Aplicaciones de la Primer Llei

Sistemes zarraos

Un sistema zarráu ye unu que nun tien intercambiu de masa col restu del universu termodinámicu. Tamién ye conocíu como masa de control. El sistema zarráu puede tener interacciones de trabayu y calor cola so contorna, según puede realizar trabayu al traviés de la so frontera. La ecuación xeneral pa un sistema zarráu (despreciando enerxía cinética y potencial y teniendo en cuenta'l criteriu de signos termodinámicu) ye:

$\Delta O=Q+W\,$

onde Q ye la cantidá total de tresferencia de calor escontra o dende'l sistema, W ye'l trabayu total ya inclúi trabayu llétricu, mecánicu y de frontera; y O ye la enerxía interna del sistema.

Sistemes abiertos

Un sistema abiertu ye aquel que tien entrada y/o salida de masa, según interacciones de trabayu y calor cola so contorna, tamién puede realizar trabayu de frontera.

La ecuación xeneral pa un sistema abiertu nun intervalu de tiempu ye:

$Q+W+\sum _{in}m_{in}(h+{\frac {1}{2}}V^{2}+gz)_{in}-\sum _{out}m_{out}(h+{\frac {1}{2}}V^{2}+gz)_{out}=\Delta O_{sistema}$

O igualmente;

$Q-W+\sum _{in}m_{in}\theta _{in}-\sum _{out}m_{out}\theta _{out}=\Delta O_{sistema},$

onde;

in representa toles entraes de masa al sistema.

out representa toles salíes de masa dende'l sistema.

\theta

ye la enerxía por unidá de masa del fluxu y entiende la entalpía, enerxía potencial y enerxía cinética:

\theta =h+{\frac {1}{2}}V^{2}+gz

La enerxía del sistema ye:

$Y_{sistema}=O+{\frac {1}{2}}mV^{2}+mgz$

La variación d'enerxía del sistema nel intervalu de tiempu consideráu (ente t₀ y t) ye:

$\Delta Y_{sistema}=\int _{t_{0}}^{t}{\frac {de}{dt}}dt$

Sistemes abiertos n'estáu estacionariu

El balance d'enerxía simplificar considerablemente pa sistemes n'estáu estacionariu (tamién conocíu como estáu estable). N'estáu estacionariu tiense $\Delta Y_{sistema}=0$ , polo que'l balance d'enerxía queda:

$Q-W+\sum _{in}m_{in}(h+{\frac {1}{2}}V^{2}+gz)_{in}-\sum _{out}m_{out}(h+{\frac {1}{2}}V^{2}+gz)_{out}=0$

Sistema aislláu Ye aquel

sistema nel cual nun hai intercambiu nin de masa nin d'enerxía col esterior.

Ver tamién

Referencies

↑ .N'español (como en francés), a diferencia del inglés — por casu, First law of thermodynamics—, úsase la pallabra «principiu» pa designar lleis naturales que nun pueden demostrase explícitamente, sicasí pueden midise y cuantificar reparando los resultaos que producen.
↑ Clausius, R. (1850). «Über die bewegende Kraft der Wärme». Annalen der Physik und Chemie 79: p. 368-397, 500-524. http://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k15164w/f384.table. Consultáu'l 23 de setiembre de 2009.
↑ Thomson, W. (1851). «On the Dynamical Theory of Heat, with Numerical Results Deduced from Mr Joule’s Equivalent of a Thermal Unit, and M. Regnault’s Observations on Steam». Transactions of the Royal Sociey of Edinburgh 20: páxs. 261-268, 289-298.

Enllaces esternos

Primer Principiu de la Termodinámica (enllaz rotu disponible n'Internet Archive; ver l'historial y la última versión). Fisicanet

[1] .N'español (como en francés), a diferencia del inglés — por casu, First law of thermodynamics—, úsase la pallabra «principiu» pa designar lleis naturales que nun pueden demostrase explícitamente, sicasí pueden midise y cuantificar reparando los resultaos que producen.

[Clausius1850-2] Clausius, R. (1850). «Über die bewegende Kraft der Wärme». Annalen der Physik und Chemie 79: p. 368-397, 500-524. http://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k15164w/f384.table. Consultáu'l 23 de setiembre de 2009.

[Thomson1851-3] Thomson, W. (1851). «On the Dynamical Theory of Heat, with Numerical Results Deduced from Mr Joule’s Equivalent of a Thermal Unit, and M. Regnault’s Observations on Steam». Transactions of the Royal Sociey of Edinburgh 20: páxs. 261-268, 289-298.

[1]

[2]

[3]