[0:03]Hola, bienvenidos a un nuevo tema de física. Vamos a ver ahora la primera ley de la termodinámica. Seguramente habrás escuchado en algún momento que la energía no se crea ni se destruye, sino que se transforma. Pues esta es la primera ley de la termodinámica. La energía total de un sistema aislado ni se crea ni se destruye, sino que permanece constante. La primera ley de la termodinámica nos relaciona el trabajo y el valor transferido, intercambiado en un sistema a través de una variable termodinámica, una nueva variable que vamos a trabajar que la llamamos la energía interna. La energía interna es toda la energía que tiene dentro de un sistema, un sistema está conformado por una gran cantidad de partículas que se encuentran en movimiento.
[0:52]El hecho de la primera ley de la termodinámica es como si tuviéramos esto. Tenemos tres energías diferentes, tenemos energía tenemos energía potencial y tenemos energía calorífica. Son tres formas de medir energía diferentes, la cinética, que es la energía que tienen las partículas, la calorífica, que es la que estamos estudiando termomodernica. Y esta ley lo que quiere decir es que esa energía se va a transformando de una a otra, pero siempre se va a conservar y nunca se va a perder. En el interior de un sistema conviven todas estas energías que componen y forman lo que llamamos la energía interna. En sí, la energía interna es una variable más que representa la suma de todas las energías de las partículas que componen el sistema. Esta ley fue creada por James Prescott, que dice que la energía total de un sistema aislado ni se crea ni se destruye, sino que permanece constante. La energía que tiene cada partícula de un vaso de agua contribuye a su energía interna. La energía cinética que contiene cada partícula movimiento que realiza cada una. Si agregamos entonces el calor también contribuye a la energía que se encuentra dentro de ese vaso de agua. ¿Alguna vez te has preguntado cómo funcionan las hidroeléctricas? Pues esto tiene que ver mucho con la primera ley de la termodinámica, ya que dentro de ellas ocurre una transformación de energía. ¿Qué ocurre con estas hidroeléctricas?
[2:28]Gráficamente tenemos una repre es la que contiene una gran cantidad de agua. Esa agua empieza a tener su energía cinética al momento en que empieza a descender. Empieza a descender hasta llegar a unas turbinas que empiezan a girar y ahí en esas turbinas genera energía eléctrica. Y esa energía eléctrica pues es llevada a todos nuestros hogares, a todos los lugares. Ahora, teniendo en cuenta que tú vives en tu casa hasta que llega la energía eléctrica y dentro de tu cocina tienes una estufa eléctrica. Entonces, ya ahí empiezas a transformar la energía eléctrica que te está suministrando la planta en energía calorífica. Entonces, podemos ver cómo a partir de la energía cinética transformamos esa energía en energía calorífica y se conserva el mismo concepto de energía. En esto consiste la primera ley de la termo dinámica. O por ejemplo, cuando te frotas las manos para generar calor, cuando hay mucho frío, pues en este momento también se está generando una energía calórica debido al rozamiento que existe entre ambas manos.
[3:41]Uno de los conceptos más importantes que hay que tener en cuenta al aplicar la primera ley de la termodamináca es el trabajo. El trabajo en física se define como la fuerza que se aplica sobre un cuerpo para poderlo desplazar de un punto a otro punto. Por ejemplo, cuando empujamos un auto. Pero en termodamináca, el trabajo es un una transferencia de energía, es decir, es un paso de energía de un sitio a otro. Por ejemplo, tenemos los pistones. El funcionamiento de un pistón es el siguiente, en un cilindro se suministra una fuente de energía de calor. Esta fuente de energía de calor ya tenemos entonces como punto inicial la energía calorífica. Dentro de ese cilindro se encuentra un gas que al momento de calentarse se expande. Las partículas adquieren mayor energía cinética. Entonces vemos la transformación de esa energía calórica en energía cinética. Eso al momento de expandir el volumen del gas es lo que permite que la placa del pistón se pueda mover y ocurre un desplazamiento de un lugar a otro. En esto consiste el trabajo en termodinámica. El movimiento, el crecimiento o la expansión de ese gas es lo que permite que se pueda desplazar un objeto o un móvil. En este caso, el pistón. Y así es como funciona el pistón que conocemos hoy en día, que permite un movimiento mecánico.
[5:18]Ahora vamos a trabajar la parte matemática de la primera ley de la termodinámica y vamos a seguir trabajando con nuestra querida Q. Es decir, el calor absorbido o cedido. La primera ley de la termodinámica determina si un sistema aumenta o se le transfiere calor y si se realiza trabajo sobre el sistema o es el sistema el que realiza el trabajo. Tenemos estas tres variables. Tenemos Q que va a ser el calor intercambiado por el sistema con el entorno. Y su unidad de medida vamos a trabajar ahora con Julius o con Juls. Que quiere decir que es una equivalencia entre una calorí que equivale a 4.184 Juls. La diferencia de energía incremento de energía de un sistema, que es la resta entre la energía final y la energía inicial y también se mide en el sistema internacional que es Julius y el trabajo que es el intercambio por el sistema con el entorno. Su unidad de medida también es el Julius.
[6:19]Para entender de qué manera actúa si un sistema absorbe o se de calor o si se le está aplicando o aplicar trabajo, hay que tener en cuenta que cada uno toma un valor diferente. considera positivo el calor absorbido y el trabajo que realiza el sistema sobre el entorno.
[6:43]Entonces tenemos cuando un sistema está cedido calor, nuestro calor va a ser negativo, mientras que el sistema si está absorbiendo calor, el calor va a ser positivo. Ahora, en cuanto al trabajo, si es el sistema que está aplicando trabajo, quiere decir que el trabajo va a ser positivo, pero si el trabajo se le está aplicando al sistema, entonces el trabajo va a ser negativo.
[7:10]Podemos verlo de esta manera. Tenemos estos dos cilindros que contienen un gas y un embolo que los está sellando. Tenemos el primer caso en que el gas está aplicando trabajo sobre el embolo, quiere decir que está realizando el trabajo sobre un cuerpo, por lo tanto el trabajo va a ser positivo. Y por lo tanto también si recibe calor o absorbe calor o se le está suministrando calor, entonces estamos hablando de un calor positivo. Por otro lado, si es al cuerpo o al sistema que se le está aplicando el trabajo, se le está aplicando presión, por ejemplo, entonces estamos hablando de un trabajo negativo. Caso contrario también, si tenemos el calor que lo está perdiendo o lo está cediendo, estamos hablando de un calor con valor negativo. Ahora vamos a ver estos estas ecuaciones y estas teorías aplicadas a problemas matemáticos. Tenemos el primer problema. ¿Cuál es el incremento en la energía interna de un sistema si se suministran 700 calorías de calor y se le aplica un trabajo de 900. Entonces tenemos que se le está suministrando calor de 700 calorías. Como se le está suministrando o está absorbiendo calor, estamos hablando de un calor positivo. Tenemos el trabajo de 900 pero hay que tener en cuenta la palabra aplica, quiere decir que se le está aplicando el trabajo al gas o al material o al sistema que se encuentra dentro del cilindro, por lo tanto, este trabajo va a ser negativo.
[8:44]Tenemos que convertir las calorías a julios. La forma de convertirla es multiplicando el número de calorías por el valor de 4.18 julios y el valor resultante es lo que corresponde a la conversión de calorías a julios, que es 2926 julios.
[9:03]Y ahora simplemente nos queda reemplazar que el calor que es ya una de las variables que tenemos, el trabajo lo tenemos, pero no tenemos la energía que es lo que nos están pidiendo, por lo tanto debemos despejarla. Ya una vez despejada nuestra energía, remplazamos las variables. Tenemos que la energía interna es igual al calor que lo convertimos a Julios, 2926 menos menos 900 Julius que es el trabajo que se le está aplicando al sistema. Tenemos un número negativo entre paréntesis que al sacarlo por tener otro negativo antes sale como positivo, nos queda 2926 + 900. Y el resultado de 3826 Julius es lo que corresponde a la energía interna de este sistema. Segundo ejercicio. Calcule la variación de energía interna de un sistema que absorbe 100 y realiza un trabajo de 200. Tenemos entonces un calor de 100 calorías que lo está absorbiendo, quiere decir que el calor es positivo. Y tenemos un trabajo que nos dice que lo está realizando el sistema, quiere decir que en este caso si es un trabajo positivo. Y ahora vamos a convertir el calor a julios, que tenemos en calorías, multiplicamos 100 por 4,18 y nos da un valor de 418 julios. Tenemos entonces la variable de calor, la variable de trabajo, pero nos falta la energía que lo que nos están pidiendo que calculemos. Por lo tanto, vamos a despejarla y vamos a reemplazar nuestros valores. La energía que es igual al calor que lo convertimos de calorías a julios de 418 menos el trabajo que es de 200. Y resolvemos nuestra operación que nos da como resultado 200 18 Julios, que es la energía interna que tiene el sistema.
[11:08]Y un último ejercicio, un sistema al recibir un trabajo de -240 Julios, sufre una variación en su energía interna igual a 95 Julios, determinar la cantidad de calor que se transfiere en el proceso y si el sistema recibe o se de calor. Tenemos entonces un sistema que está recibiendo trabajo, quiere decir que se le está aplicando trabajo al sistema. Y de una vez no están especifica que el valor es negativo. Y tenemos también la energía interna que es de 95 julios y nos piden calcular el calor y definir si ese calor se le está transfiriendo o lo está recibiendo o lo está cediendo o lo está perdiendo. Para eso tenemos que calcularlo y mirar cuál es el valor que nos da el resultado. Tenemos entonces la energía interna, tenemos el trabajo, nos falta calcular el calor. No tenemos para qué despejar la ecuación y tampoco tenemos que hacer conversiones, ya que nuestras dos unidades están en julios. Tenemos entonces que el calor es igual a la energía interna de 95 julios más -240 julios negativo porque se le está aplicando el trabajo al sistema. Y al sacar ese -240 del paréntesis nos queda 95 julios -240 julios, que eso es igual a -145 julios. Y al tener en cuenta que nos está dando un calor negativo, quiere decir que está cediendo o está perdiendo calor. Espero que esta explicación te sirva para poder entender todo el tema de la aplicación de la energía en la primera ley de
