la primera ley de la termodinámica establece que el calor es una forma de energía, y los procesos termodinámicos están por lo tanto sujetos al principio de conservación de la energía. Esto significa que la energía térmica no puede ser creada o destruida. Sin embargo, puede transferirse de un lugar a otro y convertirse A y desde otras formas de energía.

la Termodinámica es la rama de la física que se ocupa de las relaciones entre el calor y otras formas de energía., En particular, describe cómo la energía térmica se convierte a y desde otras formas de energía y cómo afecta a la materia. Los principios fundamentales de la termodinámica se expresan en cuatro leyes.

«la primera ley dice que la energía interna de un sistema tiene que ser igual al trabajo que se está haciendo en el sistema, más o menos el calor que fluye dentro o fuera del sistema y cualquier otro trabajo que se realiza en el sistema», dijo Saibal Mitra, profesor de física en la Universidad Estatal de Missouri. «Por lo tanto, es una reafirmación de la conservación de la energía.,»

Mitra continuó: «el cambio en la energía interna de un sistema es la suma de todas las entradas y salidas de energía hacia y desde el sistema de manera similar a cómo todos los depósitos y retiros que realiza determinan los cambios en su saldo bancario.»Esto se expresa matemáticamente como: ΔU = Q-W, donde ΔU es el cambio en la energía interna, Q Es el calor añadido al sistema, y W es el trabajo realizado por el sistema.,

historia

Los científicos de finales del siglo XVIII y principios del XIX se adhirieron a la teoría calórica, propuesta por primera vez por Antoine Lavoisier en 1783, y reforzada por el trabajo de Sadi Carnot en 1824, según la American Physical Society. La teoría calórica trataba el calor como un tipo de fluido que fluía naturalmente de regiones calientes a frías, al igual que el agua fluye de lugares altos a bajos. Cuando este fluido calórico fluía de una región caliente a una fría, se podía convertir en energía cinética y hacer que funcionara tanto como el agua que caía podía conducir una rueda hidráulica., No fue hasta que Rudolph Clausius publicó «la teoría mecánica del calor» en 1879 que la teoría calórica finalmente se puso a descansar.

sistemas termodinámicos

La energía se puede dividir en dos partes, según David McKee, profesor de física en la Universidad Estatal del Sur de Missouri. Una es nuestra contribución macroscópica a escala humana, como un pistón que se mueve y empuja sobre un sistema de gas. Por el contrario, las cosas suceden a una escala muy pequeña donde no podemos hacer un seguimiento de las contribuciones individuales.,

McKee explica: «Cuando pongo dos muestras de metal una contra la otra, y los átomos están vibrando en el límite, y dos átomos rebotan entre sí, y uno de los sale más rápido que el otro, no puedo seguirlo. Sucede en una escala de tiempo muy pequeña y una distancia muy pequeña, y sucede muchas, muchas veces por segundo. Por lo tanto, sólo dividimos toda la transferencia de energía en dos grupos: las cosas que vamos a mantener un registro de, y las cosas que no vamos a mantener un registro de. Este último es lo que llamamos calor.,»

Los sistemas termodinámicos generalmente se consideran abiertos, cerrados o aislados. Según la Universidad de California, Davis, un sistema abierto intercambia libremente energía y materia con su entorno; un sistema cerrado intercambia energía pero no materia con su entorno; y un sistema aislado no intercambia energía o materia con su entorno. Por ejemplo, una olla de sopa hirviendo recibe energía de la estufa, irradia calor de la sartén y emite materia en forma de vapor, que también se lleva la energía térmica. Este sería un sistema abierto., Si ponemos una tapa apretada en la olla, todavía irradia energía térmica, pero ya no emitiría materia en forma de vapor. Este sería un sistema cerrado. Sin embargo, si vamos a verter la sopa en un perfecto aislamiento termo y sello de la tapa, no habría energía o materia que va dentro o fuera del sistema. Esto sería un sistema aislado.

en la práctica, sin embargo, los sistemas perfectamente aislados no pueden existir. Todos los sistemas transfieren energía a su entorno a través de la radiación, sin importar lo bien aislados que estén., La sopa en el termo solo se mantendrá caliente durante unas horas y alcanzará la temperatura ambiente al día siguiente. En otro ejemplo, las estrellas enanas blancas, los restos calientes de estrellas quemadas que ya no producen energía, pueden ser aisladas por años luz de vacío casi perfecto en el espacio interestelar, sin embargo, eventualmente se enfriarán desde varias decenas de miles de grados hasta casi el cero absoluto debido a la pérdida de energía a través de la radiación. Aunque este proceso toma más tiempo que la edad actual del universo, no hay manera de detenerlo.,

Motores Térmicos

La aplicación práctica más común de la primera ley es el motor térmico. Los motores térmicos convierten la energía térmica en energía mecánica y viceversa. La mayoría de los motores térmicos entran en la categoría de sistemas abiertos. El principio básico de un motor térmico explota las relaciones entre el calor, el volumen y la presión de un fluido de trabajo. Este fluido es típicamente un gas, pero en algunos casos puede sufrir cambios de fase de gas a líquido y volver a un gas durante un ciclo.

Cuando el gas se calienta, se expande; sin embargo, cuando ese gas está confinado, aumenta la presión., Si la pared inferior de la cámara de confinamiento es la parte superior de un pistón móvil, esta presión ejerce una fuerza sobre la superficie del pistón causando que se mueva hacia abajo. Este movimiento se puede aprovechar para hacer un trabajo igual a la fuerza total aplicada a la parte superior del pistón por la distancia que se mueve el pistón.

Hay numerosas variaciones en el motor de calor básico. Por ejemplo, las máquinas de vapor dependen de la combustión externa para calentar un tanque de caldera que contiene el fluido de trabajo, Generalmente agua., El agua se convierte en vapor, y la presión se utiliza para impulsar un pistón que convierte la energía térmica en energía mecánica. Los motores de automóviles, sin embargo, utilizan combustión interna, donde el combustible líquido se vaporiza, se mezcla con aire y se enciende dentro de un cilindro por encima de un pistón móvil que lo conduce hacia abajo.

refrigeradores, acondicionadores de aire y bombas de calor

Los refrigeradores y bombas de calor son motores de calor que convierten la energía mecánica en calor. La mayoría de ellos entran en la categoría de sistemas cerrados. Cuando un gas se comprime, su temperatura aumenta., Este gas caliente puede entonces transferir calor a su ambiente circundante. Luego, cuando se permite que el gas comprimido se expanda, su temperatura se vuelve más fría de lo que era antes de que se comprimiera porque parte de su energía térmica se eliminó durante el ciclo caliente. Este gas frío puede absorber la energía térmica de su entorno. Este es el director de trabajo detrás de un aire acondicionado. Los acondicionadores de aire en realidad no producen frío; eliminan el calor. El fluido de trabajo se transfiere al exterior mediante una bomba mecánica donde se calienta por compresión., A continuación, transfiere ese calor al entorno exterior, generalmente a través de un intercambiador de calor refrigerado por aire. Luego, se lleva de vuelta al interior, donde se permite que se expanda y se enfríe para que pueda absorber el calor del aire interior A través de otro intercambiador de calor.

una bomba de calor es simplemente un aire acondicionado en marcha atrás. El calor del fluido de trabajo comprimido se utiliza para calentar el edificio. Luego se transfiere al exterior donde se expande y se enfría, lo que le permite absorber el calor del aire exterior, que incluso en invierno suele ser más cálido que el fluido de trabajo en frío.,

Los Sistemas de aire acondicionado y bomba de calor geotérmicos o de fuente terrestre utilizan tubos largos en forma de U en pozos profundos o una serie de tubos horizontales enterrados en un área grande a través de la cual circula el fluido de trabajo, y el calor se transfiere a o desde la tierra. Otros sistemas utilizan los ríos o el agua del océano para calentar o enfriar el fluido de trabajo.