Ejemplos de Primera Ley de la Termodinámica

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Autor: Redacción ejemplosde.com, año 2019

La Primera Ley de la Termodinámica, también llamada Ley de Conservación de la Energía, es la que señala cómo interactúan las Energías en un sistema. Se explica como sigue:

“Cuando se añade una cantidad de Calor a un Sistema, éste va a responder de una forma en que se logrará un nuevo equilibrio, resultando un cambio en su energía interna, y además en una generación de un Trabajo Mecánico”.

Esta Ley se expresa inicialmente con la Ecuación:

Q = ΔU + W

Donde:

Q: Calor añadido al Sistema o sustraído de éste

ΔU: Cambio en la Energía Interna del Sistema

W: Trabajo Mecánico que sale del sistema o que se introduce a él

Y se reacomoda en función de ΔU:

ΔU = Q - W

Como las tres magnitudes: Calor, Energía Interna y Trabajo Mecánico, son Energía, se miden todas en las mismas unidades, que son los Joules (J) en el caso del Sistema Internacional de Unidades.

En el Sistema Inglés se emplea la BTU, que significa: British Thermal Unit, y equivale a 1055.06 Joules.

Equilibrio en la Primera Ley de Termodinámica

La Primera Ley de Termodinámica representa a un equilibrio, es decir, a cómo va a responder el Sistema hasta que no haya más cambio, y  todas sus características se mantengan estables.

De acuerdo con la Primera Ley de Termodinámica, la energía sólo se va a transformar, dado que no se crea ni se destruye. Esta Transformación de la Energía permitirá que se alcance un nuevo equilibrio, diferente al que tenía en un principio.

En la Ecuación:

ΔU = Q - W

La referencia para entenderla es la Energía Interna, porque es la suma de las Energías Cinética y Potencial contenidas en el Sistema, y es la que describe mejor su equilibrio.

La Primera Ley de Termodinámica tendrá varias manifestaciones para los Sistemas Termodinámicos:

1.- Cuando se añade un Calor Q a un Sistema, las partículas de la sustancia contenida en el Sistema se irán agitando más y más, generando un impulso hacia afuera, por lo que el Volumen que ocupan se irá incrementando. En ese aumento del Volumen ocupado en el Sistema se verá proyectado un Trabajo Mecánico (W). Este trabajo Mecánico (W) se podrá aprovechar como energía para un proceso. Como no todo el Calor añadido se transforma en Trabajo, quedará una Energía Residual en el Sistema, que por tanto se encargará de incrementará la Energía Interna (ΔU).

2.- Cuando se retira un Calor Q a un Sistema, las partículas de la sustancia del interior perderán agitación, por lo que disminuirá el volumen que ocupan. Se asume por tanto que el Trabajo Mecánico W es dirigido hacia el interior del Sistema. El Cambio de la Energía Interna corresponderá entonces a la reducción por el retiro de Calor, y al Trabajo Mecánico consecuente.

Ejemplos de Primera Ley de Termodinámica

1.- En un Globo aerostático, el quemador arroja la llama hacia el aire contenido en el globo. El Calor añadido constantemente hará que el aire sea más ligero y esté más agitado, logrando el Trabajo Mecánico de levantar la canasta por el viento.

Globo Aerostático

2.- En un Motor de Combustión interna, se agrega en el pistón un chispazo, que inicia una reacción de combustión. Esta reacción aportará el Calor para que el mismo sistema se expanda, generando un Trabajo Mecánico que permitirá al automóvil un avance.

Motor de Combustión interna

3.- En un Ordenador, el paso de la corriente eléctrica por los componentes electrónicos generará un Calor, el cual deberá ser mitigado por un agente refrigerante, como un ventilador. No hay Trabajo Mecánico apreciable.

4.- Cuando ponemos una bolsa con agua cerrada dentro del microondas, el calor inyectado por las microondas se encargará de ir vaporizando el agua contenida, inflando poco a poco la bolsa. El Trabajo Mecánico consiste precisamente en el inflado de la bolsa con el impacto del vapor de agua en sus paredes interiores.

5.- En una Olla de Presión llena de agua, puesta sobre el quemador de una estufa, se generará propiamente una vaporización. El vapor, cada vez más caliente, irá golpeando el interior de la Olla, hasta mover una válvula de liberación que impedirá una potencial explosión.

Olla de presión

6.- Empleando la Ecuación de La Primera Ley de termodinámica, calcular el cambio en la Energía Interna de un Sistema en que se realiza un Trabajo Mecánico W de 900 J y se agrega un Calor Q de 6000 J.

ΔU = Q – W

ΔU = 6000 J – 900 J

ΔU = 5100 J

7.- Empleando la Ecuación de La Primera Ley de termodinámica, calcular el cambio en la Energía Interna de un Sistema en que se realiza un Trabajo Mecánico W de 30 J y se agrega un Calor Q de 100 J.

ΔU = Q – W

ΔU = 100 J – 30 J

ΔU = 70 J

8.- Empleando la Ecuación de La Primera Ley de termodinámica, calcular el cambio en la Energía Interna de un Sistema en que se realiza un Trabajo Mecánico W de 800 J y se agrega un Calor Q de 3000 J.

ΔU = Q – W

ΔU = 3000 J – 800 J

ΔU = 2200 J

9.- Empleando la Ecuación de La Primera Ley de termodinámica, calcular el cambio en la Energía Interna de un Sistema en que se realiza un Trabajo Mecánico W de 190 J y se agrega un Calor Q de 620 J.

ΔU = Q – W

ΔU = 620 J – 190 J

ΔU = 430 J

10.- Empleando la Ecuación de La Primera Ley de termodinámica, calcular el cambio en la Energía Interna de un Sistema en que se realiza un Trabajo Mecánico W de 330 J y se agrega un Calor Q de 6500 J.

ΔU = Q – W

ΔU = 6500 J – 330 J

ΔU = 6170 J

Citado APA: (A. 2013,05. Ejemplos de Primera Ley de la Termodinámica. Revista ejemplosde.com. Obtenido 05, 2013, de https://www.ejemplosde.com/37-fisica/1703-ejemplo_de_primera_ley_de_la_termodinamica.html)

Autor: Redacción ejemplosde.com, año 2019

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