Primer principio de la termodinámica
El primer principio de la termodinámica[nota 1] es un principio que refleja la conservación de la energía en el contexto de la termodinámica y establece que si se realiza trabajo sobre un sistema o bien este intercambia calor con otro, la energía interna del sistema cambiará.
Visto de otra forma, este principio permite definir el calor como la energía necesaria que debe intercambiar el sistema para compensar las diferencias entre trabajo y energía interna.
En palabras simples: la energía total del universo se mantiene constante.
que aplicada a la termodinámica, queda de la forma
Esta última expresión es igual de frecuente encontrarla en la forma
Ambas expresiones, aparentemente contradictorias, son correctas y su diferencia está en que se aplique el convenio de signos IUPAC o el Tradicional (véase criterio de signos termodinámico).
Más específicamente el principio se puede formular como: Más formalmente, este principio se descompone en dos partes; Este enunciado supone formalmente definido el concepto de trabajo termodinámico y conocido que los sistemas termodinámicos solo pueden interactuar de tres formas diferentes (interacción másica, interacción mecánica e interacción térmica).
En general, el trabajo es una magnitud física que no es una variable de estado del sistema, dado que depende del proceso seguido por dicho sistema.
Este hecho experimental, por el contrario, muestra que para los sistemas cerrados adiabáticos, el trabajo no va a depender del proceso, sino tan solo de los estados inicial y final.
, como una variable de estado cuya variación en un proceso adiabático es el trabajo intercambiado por el sistema con su entorno:
(W del proceso adiabático) Cuando el sistema cerrado evoluciona del estado inicial A al estado final B pero por un proceso no adiabático, la variación de la energía debe ser la misma, sin embargo, ahora, el trabajo intercambiado será diferente del trabajo adiabático anterior.
La diferencia entre ambos trabajos debe haberse realizado por medio de interacción térmica.
Se define entonces la cantidad de energía térmica intercambiada Q (calor) como:
Siendo U la energía interna, Q el calor y W el trabajo.
donde: El primer principio de termodinámica fue propuesto por Nicolas Léonard Sadi Carnot en 1824, en su obra Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego y sobre las máquinas adecuadas para desarrollar esta potencia, en la que expuso los dos primeros principios de termodinámica.
Durante la década de 1840, varios físicos entre los que se encontraban Joule, Helmholtz y Meyer, fueron desarrollando esta ley.
[1][2] Las declaraciones originales del siglo XIX de la primera ley de la termodinámica aparecieron en un marco conceptual en el que la transferencia de energía como calor se tomaba como una noción primitiva, no definida ni construida por el desarrollo teórico del marco, sino más bien presupuesta como anterior a ella y ya aceptada.
La noción primitiva de calor se tomó como establecida empíricamente, especialmente a través de la calorimetría considerada como un tema por derecho propio, anterior a la termodinámica.
Por un autor, este marco ha sido llamado el enfoque «termodinámico».
Se define solo hasta una constante de integración aditiva arbitraria, que se puede ajustar para dar niveles cero de referencia arbitrarios.
La energía interna se establece habitualmente en relación con un estado de referencia estándar elegido convencionalmente del sistema.
Su cantidad no se puede medir de inmediato, sino que solo se puede inferir, al diferenciar las medidas inmediatas reales.
[7] Se puede considerar que esta definición expresa una revisión conceptual, como sigue.
Esto fue expuesto sistemáticamente en 1909 por Constantin Carathéodory, cuya atención había sido atraída por Max Born.
También postula que la energía se puede transferir de un sistema termodinámico a otro por un camino que no es adiabático y no está acompañado por la transferencia de masa.
Inicialmente, «inteligentemente» (según Bailyn) se abstiene de etiquetar como «calor» tal transferencia de energía no adiabática y no acompañada.
Entonces, los muros de interés se dividen en dos clases, (a) aquellos tales que los sistemas arbitrarios separados por ellos permanecen independientemente en sus respectivos estados de equilibrio termodinámico interno previamente establecidos; se definen como adiabáticos; y (b) aquellos sin tal independencia; se definen como no adiabáticos.
Los hechos experimentales corroboran que este tipo de transferencia también depende del proceso y no solo de los estados inicial y final.
Un sistema cerrado es uno que no tiene intercambio de masa con el resto del universo termodinámico.
donde Q es la cantidad total de transferencia de calor hacia o desde el sistema, W es el trabajo total e incluye trabajo eléctrico, mecánico y de frontera; y U es la energía interna del sistema.
