EL PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA

JOULE observó que una magnitud dada de trabajo, independientemente de su origen, producía siempre la misma cantidad de calor. Enunció el equivalente mecánico de la caloría, que lleva su nombre. 

En 1.847, VON HELMHOLTZ mostró que el fracaso en el logro del movimiento perpetuo y la equivalencia entre trabajo y calor eran aspectos parciales de una generalización más amplia: La Ley de conservación de la energía.

La equivalencia entre formas de energía no impide la conversión recíproca de unas en otras. En principio, dicha transformación debería ser total, en cualquier sentido. Sin embargo, la experiencia muestra que esto no es posible. En otras palabras, el primer principio de la Termodinámica acepta la reversibilidad de las transformaciones, pero los procesos termodinámicos tienen en la realidad un claro sentido unidireccional. 

Por ejemplo: La diferencia de calidad entre el trabajo y el calor se hace notoria cuando observamos que la transformación del primero en el segundo, es mucho más fácil que en sentido inverso. Además, se obtiene un rendimiento muy superior en el primer caso, tal como ya se ha visto más arriba.

Para hallar una explicación rápida y científica, debemos desplazarnos momentáneamente del estudio de la Termodinámica clásica al de la Termodinámica estadística o microscópica. 

Según afirma CHANG, es sabido que las formas de energía de alta calidad (energía cinética, energía potencial, etc.) son de tipo ordenado. Por ejemplo, la producción de energía cinética se debe al movimiento a la misma velocidad y en la misma dirección, de las moléculas que componen un cuerpo que se traslada en el espacio. Por el contrario, la energía térmica proviene del movimiento desordenado de las moléculas, fenómeno que está directamente correlacionado con la temperatura que presenta el cuerpo. Tales moléculas se mueven al azar, siendo la velocidad media igual a cero en cualquier dirección. 

La experiencia muestra que la energía ordenada puede convertirse fácilmente en energía desordenada: La energía mecánica y la eléctrica se transforman en calor por el rozamiento o por el efecto JOULE, respectivamente. Las energías ordenadas se transforman entre sí también con facilidad. Por el contrario, existen límites naturales a la conversión de una energía desordenada en ordenada. Dichos límites pueden establecerse mediante la investigación teórica. 

Historia

El primer principio de la termodinámica fue propuesto por Nicolas Léonard Sadi Carnot en 1824, en su obra Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego y sobre las máquinas adecuadas para desarrollar esta potencia, en la que expuso los dos primeros principios de la termodinámica. Esta obra fue incomprendida por los científicos de su época, y más tarde fue utilizada por Rudolf Clausius y Lord Kelvin para formular, de una manera matemática, las bases de la termodinámica. Durante la década de 1840, varios físicos entre los que se encontraban Joule, Helmholtz y Meyer, fueron desarrollando esta ley. Sin embargo, fueron primero Clausius en 1850 y Thomson (Lord Kelvin) un año después quienes escribieron los primeros enunciados formales.

Descripción

La forma de transferencia de energía común para todas las ramas de la física -y ampliamente estudiada por éstas- es el trabajo. Dependiendo de la delimitación de los sistemas a estudiar y del enfoque considerado, el trabajo puede ser caracterizado como mecánico, eléctrico, etc. pero su característica principal es el hecho de transmitir energía y que, en general, la cantidad de energía transferida no depende solamente de los estados iniciales y finales, sino también de la forma concreta en la que se lleven a cabo los procesos. 

El calor es la forma de transferencia de un tipo de energía particular, propiamente termodinámica, que es debida únicamente a que los sistemas se encuentren a distintas temperaturas (es algo común en la termodinámica catalogar el trabajo como toda transferencia de energía que no sea en forma de calor). Los hechos experimentales corroboran que este tipo de transferencia también depende del proceso y no sólo de los estados inicial y final. 

Sin embargo, lo que los experimentos sí demuestran es que dado cualquier proceso de cualquier tipo que lleve a un sistema termodinámico de un estado A a otro B, la suma de la energía transferida en forma de trabajo y la energía transferida en forma de calor siempre es la misma y se invierte en aumentar la energía interna del sistema. Es decir, que la variación de energía interna del sistema es independiente del proceso que haya sufrido. En forma de ecuación y teniendo en cuenta el criterio de signos termodinámico esta ley queda de la forma:

Así, la Primera Ley (o Primer Principio) de la termodinámica relaciona magnitudes de proceso (dependientes de éste) como son el trabajo y el calor, con una variable de estado (independiente del proceso) tal como lo es la energía interna.

Aplicaciones de la Primera Ley

Sistemas cerrados 

Un sistema cerrado es uno que no tiene intercambio de masa con el resto del universo termodinámico. También es conocido como masa de control. El sistema cerrado puede tener interacciones de trabajo y calor con sus alrededores, así como puede realizar trabajo a través de su frontera. La ecuación general para un sistema cerrado (despreciando energía cinética y potencial y teniendo en cuenta el criterio de signos termodinámico) es:

donde Q es la cantidad total de transferencia de calor hacia o desde el sistema, W es el trabajo total e incluye trabajo eléctrico, mecánico y de frontera; y U es la energía interna del sistema.

Sistemas abiertos

Un sistema abierto es aquel que tiene entrada y/o salida de masa, así como interacciones de trabajo y calor con sus alrededores, también puede realizar trabajo de frontera. 

La ecuación general para un sistema abierto en un intervalo de tiempo es:

Sistemas abiertos en estado estacionario

El balance de energía se simplifica considerablemente para sistemas en estado estacionario (también conocido como estado estable). En estado estacionario se tiene

por lo que el balance de energía queda:

Sistema aislado

Es aquel sistema en el cual no hay intercambio ni de masa ni de energía con el exterior.

Ejemplos

motor de un automóvil

Imaginemos el motor de un automóvil. La gasolina es un sistema termodinámico que reacciona con el oxígeno generando una chispa que produce una combustión. Esta reacción mueve un pistón que es el responsable del movimiento de las ruedas del automóvil (trabajo). Además, todo el proceso genera calor que sale por el caño de escape.

Si pudiéramos medir la cantidad de combustible consumido, la cantidad de trabajo desempeñado y la cantidad de calor liberado, llegaríamos a la conclusión de que la energía en el motor se ha mantenido constante en el tiempo (no se creó ni destruyó energía).

maquina de vapor

El desarrollo de la máquina de vapor implicó el inicio del desarrollo de la primera de las leyes de la termodinámica.

Se trata de la primera vez que se produce una transformación termodinámica para convertir energía térmica en energía mecánica. Su funcionamiento se base en la variación de la relación presión volumen.

Analizemos como se transforma la energía en una locomotora de vapor. Consideramos la locomotora como un sistema termodinámico.

• Inicialmente toda la energía interna del sistema es energía interna del combustible. El carbón.
• Al realizar una combustión hay un cambio en la energía, se transforma en energía térmica.
• Toda esta cantidad de calor se utiliza para generar vapor y accionar los pistones del motor. En este momento, se convierte en energía mecánica.
• Cuando el motor se mueve, la locomotora se mueve. Adquiere una velocidad. Ahora tenemos energía cinética.

En nuestro ejemplo la locomotora no es un sistema aislado. Por lo tanto hay intercambio de calor con el exterior. En una locomotora de vapor hay muchas pérdidas por ejemplo:

• El humo de la combustión y el vapor caliente que se escapa.
• El roze entre los diferentes mecanismos genera un trabajo negativo.
• La fricción con las vías.
• La fricción con el aire.
• El calor de la caldera que se transmite al aire.

La conservación de la energía en la energía solar

Un ejemplo de este principio es la energía solar. Se aplica tanto en la fotovoltaica y como en la solar térmica.

Los àtomos de las partículas que forman el Sol contienen energía. Energía interna. Estos átomos sufren constantemente una reacción nuclear. La fusión nuclear convierte esta energía química en radiación.

La radiación solar que llega a la Tierra es captada por los paneles solares.

Los paneles solares transforman esta energía en energía eléctrica (energía fotovoltaica) o energía calorífica (energía térmica).

Entonces, ¿por qué el rendimiento de un panel solar no es del 100%?

Toda la energía solar que llega al panel solar se transforma. Pero no se transforma toda en el mismo tipo de energía. Parte de la radiación que recibe un módulo fotovoltaico se convierte en electricidad.

Sin embargo, otra parte se convierte en calor, calentando el panel; o rebota y vuelve a la atmósfera.

Resumiendo: El primer principio de la Termodinámica es sólo un corolario de la Ley de la conservación de la energía, que afirma las equivalencias cuantitativas de la energía. Pero no precisa el problema de las relaciones cualitativas, que es abordado por el segundo principio. Antes de estudiarlo, debemos profundizar en la base metodológica de la Termodinámica.