Proceso termodinámico
El calor (Q) es la energía que se transfiere de un objeto a otro debido a la diferencia de temperatura. En relación con los sistemas y los entornos, el calor es la energía que se mueve del sistema al entorno o viceversa, debido a la diferencia de temperatura. Si la temperatura del sistema es superior a la temperatura ambiente, el calor fluirá del sistema al entorno. Si la temperatura ambiente es superior a la del sistema, el calor fluirá del entorno al sistema.
El calor (Q) es la energía que se transfiere debido a la diferencia de temperatura, mientras que el trabajo (W) se relaciona con la transferencia de energía mediante trabajo. Por ejemplo, si el sistema realiza trabajo sobre el entorno, la energía se transfiere del sistema al entorno. A la inversa, si el entorno realiza trabajo sobre el sistema, la energía se transfiere del entorno al sistema.
Energía interna y la primera ley de la termodinámica
La energía interna (U) del sistema es la suma de toda la energía cinética molecular del sistema, más la energía potencial derivada de la interacción entre las moléculas del sistema. Si el calor fluye del entorno al sistema (el sistema recibe energía), la energía del sistema aumenta. Por el contrario, si el sistema realiza trabajo sobre el entorno (el sistema libera energía), la energía del sistema disminuye.
Basándonos en la conservación de la energía, los cambios de energía interna en el sistema son iguales al calor que se añade al sistema (el sistema recibe energía) menos el trabajo realizado por el sistema (el sistema libera energía).
ΔU = cambios de energía interna, Q = calor, W = trabajo
La energía interna es una magnitud microscópica del sistema, por lo que su valor es desconocido. Sin embargo, los cambios en la energía interna se pueden conocer a través de la energía añadida al sistema y la energía liberada por este en forma de calor y trabajo. En cambio, las magnitudes macroscópicas como la temperatura (T), la presión (p), el volumen (V) y la masa (m) o algunos moles (n) son conocidas.
El calor y el trabajo solo intervienen en el proceso de transferencia de energía entre el sistema y el entorno. El calor y el trabajo no son magnitudes que indiquen el estado del sistema.
Reglas de señalización para calor (Q) y trabajo (W)
Las reglas de signos para el calor y el trabajo se ajustan a la ecuación de la primera ley de la termodinámica. El calor (Q) en la ecuación anterior representa el calor que se añade al sistema (Q positivo), mientras que el trabajo (W) representa el trabajo realizado por el sistema (W positivo). Si el calor sale del sistema, Q es negativo. Si se realiza trabajo sobre el sistema, W es negativo.
Ejemplo 1 :
Si se añaden 2000 julios de calor al sistema, mientras que este realiza 1000 julios de trabajo, ¿cuánto cambia la energía interna del sistema?
Solución
Δ U = Q – W = 2000 – 1000 = 1000 Julios.
El sistema absorbe 2000 julios de calor (recibe energía) y también realiza 1000 julios de trabajo (libera energía). El cambio de energía del sistema es de 1000 julios.
Ejemplo 2 :
El sistema libera 2000 julios de calor. El sistema realiza un trabajo de 1000 julios. Calcula los cambios en la energía interna del sistema.
Solución
Si el sistema libera calor, entonces Q es negativo.
Δ U = Q – W = -2000 – 1000 = -3000 Julios.
El sistema libera 2000 julios de calor. Además, realiza 1000 julios de trabajo (libera energía). Por lo tanto, la energía interna del sistema se reduce en 3000 julios.
Ejemplo 3 :
Se añaden 2000 julios de calor al sistema y se realizan 1000 julios de trabajo sobre él. Calcula los cambios en la energía interna del sistema.
Solución
Se realizó trabajo en el sistema, por lo que W es negativo.
Δ U = Q – W = 2000 – (-1000) = 3000 Julios.
La energía interna del sistema aumenta en 3000 julios.
