Primera Ley de la Termodinámica

Química GeneralTermodinámica1ª Ley de la Termodinámica

Primera Ley de la Termodinámica:

La Primera Ley de la Termodinámica, también conocida como Principio de la Conservación de la Energía en Termodinámica establece que:
Cualquier cambio en la energía de un sistema es igual al calor añadido al sistema más el trabajo realizado sobre el mismo
Esto se traduce en:

ΔE = q +  

(Cambio de la energía del sistema= calor agregado al sistema + trabajo realizado sobre el sistema)

La fórmula anterior se suele escribir:

ΔU = Q + W  

donde U es la Energía Interna del sistema que resulta de la energía cinética de las moléculas y de la energía potencial de sus uniones.

Criterio de signos:
  • Q es + cuando el sistema absorbe energía en forma de calor
  • Q es - cuando el sistema libera energía en forma de calor
  • W es + cuando el sistema absorbe energía al aplicársele trabajo
  • W es - cuando el sistema libera energía al efectuar trabajo
Nota: este criterio de signos puede variar según los autores.

Esta Primera Ley o Principio de la Termodinámica fue establecida formalmente por Clausius y Kelvin entorno a 1850.

Aplicaciones:

A presión constante, ΔW = P · ΔV, es decir, el trabajo que realiza o se entrega al sistema es igual a la presión por la variación de volumen del sistema. Esto supone que la fórmula de la Primera Ley de la Termodinámica queda:

ΔU = Q + P·ΔV

A continuación demostramos como ΔW = P · ΔV:

Sea un pistón que se contrae a presión constante, por ejemplo al disminuir su temperatura. Dicho pistón, de área A, se contrae una altura h (ver imágen).


Tenemos que la Presión = Fuerza / Superficie → P = f / A  → f = P · A.

Por otra parte W (trabajo) = Fuerza · distancia → W = f · h = P · A · h. Como A · h es la variación de volumen del pistón, finalmente obtenemos que W = P · ΔV.

Para las sustancias gaseosas que podemos considerar como gases perfectos tenemos que:

ΔU = Q + P·ΔV = + Δn·RT

donde:

Δn = nº de moles finales - nº de moles iniciales


La Entalpía:

La Entalpía (H) es una magnitud que expresa la cantidad de energía que absorbe o cede un sistema termodinámico.

Se expresa de la siguiente forma:

H = U - pV

Ejemplos de la Primera Ley de Termodinámica:
Ejemplo 1
a) Calcular el calor que absorbe o libera un sistema cuando se realiza sobre el un trabajo de 500 KJ si su energía interna aumenta 3000 KJ.
b) Supongamos que el sistema anterior es un gas que se mantiene a presión atmosférica constante. Calcular la variación de volumen que se ha producido.

Solución:
a) aplicamos el primer principio de la termodinámica:

ΔU = Q + W

  • ΔU = + 3000 KJ

  •  W = + 500 KJ
Entonces: Q = ΔU - W = 3000 KJ - 500 KJ = 2500 KJ
 b) ΔW = P · ΔV
  • ΔW= + 500J
  • P = 1 atmósfera = 101325 pascales
Entonces ΔV = 500 J / 101325 pascales = 4,9 · 10-3 m3

versión 1 (15/09/2015)