2. LA ENERGIA SE CONSERVA

PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA

 

 


Si aplicamos el Principio General de Conservación de la Energía teniendo en cuenta que las dos formas en que un determinado sistema químico puede modificar su energía interna es mediante trabajo y/o calor, podremos escribir la expresión:


Wext + Q = ΔU


La ecuación anterior es una forma de sintetizar el primer principio de la Termodinámica, aplicado a un sistema químico, según el cual: siempre que la suma del trabajo exterior realizado sobre el sistema y el calor sea 0, la energía interna del sistema no cambia y siempre que dicha suma es positiva (negativa), la energía interna aumenta (disminuye).


Conviene saber que con frecuencia se habla de calor "absorbido" por el sistema del exterior (positivo) y "cedido" por el sistema al exterior (negativo), aunque ya sabemos que lo que se quiere decir realmente es energía ganada o perdida por el sistema mediante calor.


En cuanto al trabajo exterior realizado sobre el sistema, su signo dependerá únicamente de si la fuerza exterior que actúa sobre el sistema químico lo hace favoreciendo el desplazamiento (en cuyo caso dicho trabajo será positivo) u oponiéndose al desplazamiento (en cuyo caso dicho trabajo será negativo).


A.4. Un sistema pasa de un estado A a otro estado B absorbiendo 4000 J de energía mediante calor al tiempo que las fuerzas exteriores realizan sobre el mismo un trabajo de 1000 J. Después regresa de B a A realizando el sistema un trabajo de 4500 J ¿Cuánto calor se liberará o se absorberá?

Suponemos que se trata de un sistema cerrado en el cual podemos aplicar la expresión del primer principio de la Termodinámica. Cuando el sistema evoluciona desde el estado inicial A al estado final B la variación de la energía interna será:


Desde A hasta B: ΔU = UB - UA= Wext + Q = 1000 + 4000 = 5000 J


Desde B hasta A:

Como la energía interna es una función de estado UA - UB = - (UB - UA) = -5000 J.


Si consideramos siempre procesos reversibles (como haremos durante todo este tema), el trabajo exterior y el trabajo realizado por el sistema serán iguales y de signo contrario (Wsist = - Wext) por lo que, teniendo esto en cuenta, podremos escribir:


ΔU = UA - UB = Wext + Q = - 4500 + Q = -5000 J → Q = -5000 + 4500 = -500 J


El signo negativo de Q nos indica que el sistema al pasar del estado B al estado A, transfiere energía mediante calor al medio exterior o como suele decirse “libera” o “cede” calor.

A.5. Un sistema absorbe 4180 J del medio mediante calor, realizando al mismo tiempo sobre el exterior un trabajo de 500 J ¿Cuál será la variación de la energía interna?

Rdo. 3680 J

Es necesario tener en cuenta que, a diferencia de la energía interna, el calor y el trabajo no son funciones de estado, es decir, su valor depende de cómo se realice la transformación. Calor y trabajo son dos formas de intercambiar la energía que dependen de cuál es el procedimiento empleado para realizar este cambio mientras que la energía es una propiedad que solo depende de cuál es el estado del sistema y viene determinada por las variables termodinámicas del mismo (presión, temperatura, fase, concentración…).

Calor: intercambio de energía provocado por diferencia de temperatura

Trabajo: intercambio de energía provocado por la acción de una fuerza


De todos las formas de transformación de un sistema químico son particularmente interesantes las que se producen a volumen constante, cuando se realizan en un recipiente cerrado de paredes rígidas o las que tienen lugar a presión constante, como por ejemplo aquellas que se realizan en un recipiente abierto a presión atmosférica. A continuación estudiaremos estas transformaciones