¿Cuál Es La Primera Ley De La Termodinámica?

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La primera ley de la termodinámica establece que la energía no se puede crear ni destruir, pero se puede transferir de un lugar a otro y se puede convertir en otras formas de energía.

La primera ley de la termodinámica establece que el calor es una forma de energía y, por lo tanto, los procesos termodinámicos están 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 hacia 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 ay 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 debe ser igual al trabajo que se realiza en el sistema, más o menos el calor que fluye dentro o fuera del sistema y cualquier otro trabajo que se realice en el sistema ", dijo Saibal Mitra, profesor de física en la Universidad Estatal de Missouri. "Entonces, 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 como todos los depósitos y retiros que usted hace determinan los cambios en su saldo bancario". Esto se expresa matemáticamente como: ΔU = QW, donde ΔU Es el cambio en la energía interna. Q es el calor agregado 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 las regiones cálidas a las frías, como lo hace el agua desde los lugares altos a los lugares bajos. Cuando este fluido calórico fluye de una región caliente a una fría, puede convertirse en energía cinética y funcionar para que la caída de agua pueda conducir una rueda hidráulica. No fue hasta que Rudolph Clausius publicó "La teoría mecánica del calor" en 1879 que la teoría calórica fue finalmente descartada.

Sistemas termodinamicos

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 un sistema de gas. Por el contrario, las cosas suceden en una escala muy pequeña donde no podemos hacer un seguimiento de las contribuciones individuales.

McKee explica: "Cuando pongo dos muestras de metal una contra otra, y los átomos vibran en el límite, y dos átomos rebotan entre sí, y uno de ellos sale más rápido que el otro, no puedo mantenerlo. Esto sucede en una escala de tiempo muy pequeña y una distancia muy pequeña, y ocurre muchas, muchas veces por segundo. Por lo tanto, simplemente dividimos toda la transferencia de energía en dos grupos: las cosas que vamos a hacer un seguimiento de, y las cosas de las que no vamos a estar al tanto. El último de estos 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 importa 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 transporta la energía térmica. Este sería un sistema abierto. Si colocamos una tapa hermética en la olla, aún irradiaría energía térmica, pero ya no emitirá materia en forma de vapor. Este sería un sistema cerrado. Sin embargo, si tuviéramos que verter la sopa en un termo perfectamente aislado y sellar la tapa, no habría energía o materia entrando o saliendo del sistema. Este sería un sistema aislado.

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

Motores de calor

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 de calor entran en la categoría de sistemas abiertos. El principio básico de un motor térmico explota las relaciones entre calor, volumen y presión de un fluido de trabajo. Este fluido suele ser un gas, pero en algunos casos puede sufrir cambios de fase de gas a líquido y de nuevo a 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 que hace 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, los motores de vapor dependen de la combustión externa para calentar un tanque de caldera que contiene el fluido de trabajo, típicamente agua. El agua se convierte en vapor, y la presión se utiliza para impulsar un pistón que convierte la energía térmica en energía mecánica. Sin embargo, los motores de automóviles utilizan la combustión interna, donde el combustible líquido se vaporiza, se mezcla con el aire y se enciende dentro de un cilindro sobre un pistón móvil que lo empuja hacia abajo.

Refrigeradores, aires acondicionados y bombas de calor.

Los refrigeradores y las bombas de calor son motores de calor que convierten la energía mecánica en calor. La mayoría de estos entran en la categoría de sistemas cerrados. Cuando se comprime un gas, su temperatura aumenta. Este gas caliente puede transferir calor a su entorno circundante. Luego, cuando se permite que el gas comprimido se expanda, su temperatura se vuelve más fría de lo que era antes de comprimirse porque se eliminó parte de su energía térmica durante el ciclo de calor. Este gas frío puede absorber la energía térmica de su entorno. Este es el principio de funcionamiento detrás de un acondicionador de aire. 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 ambiente exterior, generalmente a través de un intercambiador de calor refrigerado por aire. Luego, se regresa al interior, donde se le permite expandirse y enfriarse 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 frío.

Los sistemas de aire acondicionado y bombas de calor geotérmicas o terrestres utilizan tubos largos en forma de U en pozos profundos o una serie de tubos horizontales enterrados en una gran área a través de la cual circula el fluido de trabajo, y el calor se transfiere a la tierra o desde ella. Otros sistemas utilizan los ríos o el agua del océano para calentar o enfriar el fluido de trabajo.

Recursos adicionales

Aquí hay otras tres explicaciones de la Primera Ley de la Termodinámica:

  • Centro de Investigación Glenn de la NASA
  • Sitio web de hiperfísica de la Universidad Estatal de Georgia
  • La Universidad de California, Davis 'ChemWiki


Suplemento De Vídeo: Primera Ley De La Termodinámica | Sicence Time.




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