La energía de las moléculas en el interior de un cuerpo se le llama energía interna. Esta energía interna es la suma de las energías cinética y potencial de las moléculas. La energía interna de un objeto o sistema se puede cambiar, ya sea poniéndolo en contacto con otro cuerpo (calor) o haciendo trabajo sobre él. La energía interna de un cuerpo, se puede aumentar si se realiza trabajo sobre él (trabajo negativo) o si se le suministra calor, (calor positivo), se le puede disminuir, si cede calor, (calor negativo) o si realiza trabajo sobre otro sistema (trabajo positivo).
ΔU = Q – W
La primera ley de la termodinámica fue anunciada por Julius Robert Von Mayer en 1841. Se trata del principio de la conservación de la energía aplicado a un sistema cuando se consideran los procesos termodinámicos producidos en él.
En un sistema aislado el cambio en la energía interna es cero, ya que el sistema no intercambia calor ni trabajo. Independientemente de los procesos que ocurran dentro de un sistema aislado, su energía interna permanece constante.
Si el sistema no está aislado, el sistema, puede intercambiar energía con el ambiente que lo rodea, dando lugar a una variación en su energía interna.
PARA SABER MÁS CON EJEMPLOS:
1.- ¿Cuál es el incremento en la energía interna de un sistema si se le suministran 700 calorías de calor y se le aplica un trabajo de 900 Joules?
Solución:
El problema indica que se le están suministrando 700 calorías de calor, eso quiere decir que Q será positivo, por otra parte, nos dice que al sistema se le aplicará un trabajo de 900 Joules, aquí el signo de W tendrá que ser negativo, puesto que se la están aplicando al sistema.
Sabiendo ese análisis podemos dar solución al problema de la siguiente forma:
Vamos a convertir las 700 calorías de calor en Joules. ¿Por qué? Porque el S.I (Sistema Internacional) de medida así lo estandariza.
700 cal = 2930,2 J
Recordar que W = – 900 J, porque como dijimos, al sistema se le está aplicando un trabajo. Ahora conforme a la fórmula de la primera ley de la termodinámica:
ΔU = Q – W
Sustituyendo
ΔU = 2930,2J – (– 900J) = 3830,2J
La energía interna del sistema aumenta, ya que se le está suministrando calor y se está haciendo trabajo sobre él.
2.- Suponga que un sistema pasa de un estado a otro, intercambiando energía con su vecindad. Calcule la variación de energía interna del sistema en los siguientes casos:
a) El sistema absorbe 100 cal y realiza un trabajo de 200 J.
b) El sistema absorbe 100 cal y sobre él se realiza un trabajo de 200 J.
c) El sistema libera 100 cal de calor a la vecindad (alrededor), y sobre él se realiza un trabajo de 200 J.
a) Para iniciar a resolver este inciso, debemos entender lo que nos pide.
+ El sistema absorbe 100 cal, que convertiremos en Joules.
+ El sistema realiza el trabajo de 200 J.
Convertimos lo que absorbe el sistema:
100 cal = 418,6J
Ahora esto nos indica que por fórmula tendremos:
ΔU = Q – W
ΔU = 418,6J – 200J = 218,6J
Observamos que la energía interna del sistema aumenta considerablemente a 218,6 J.
b) Para este caso analizamos de la siguiente manera el inciso.
+ El sistema absorbe 100 cal
– El trabajo fue realizado sobre el sistema 200J
Por fórmula tenemos:
ΔU = Q – W
ΔU = 418,6J – (– 200J ) = 618,6J
Por lo que ahora, tenemos 618,6 Joules, y observamos un gran incremento de la energía interna.
c) En este caso el sistema hace las dos versiones distintas al inciso a), pues aquí tenemos el siguiente análisis.
– El sistema libera 100 cal
– Se le aplica un trabajo sobre el sistema de 200 J
Por fórmula tendríamos algo así:
ΔU = Q – W
ΔU = – 418,6J – (– 200J ) = – 218,6J
Vemos que la energía del sistema disminuye considerablemente, y esto es lógico puesto que nada más recibió 200 J de energía y a su vez estaba liberando 418,6 Joules.
TRABAJO REALIZADO POR UN GAS
Cuando
se estudia el trabajo que se ejerce sobre un gas o que éste realiza, hay que
tener en cuenta que los gases suelen estar encerrados a presión en un cilindro
y se produce el desplazamiento de un pistón de área A.
Si
se considera que el movimiento del pistón no produce fricción contra las
paredes del cilindro. Si se aumenta la
temperatura del gas, éste se expande y ejerce una fuerza F sobre el pistón provocándole un desplazamiento Δx, el gas ha
realizado trabajo sobre el pistón dado por:
W
= FΔx
Como
la presión P que ejerce el gas es: P =
F/A, se tiene que:
W
= P(A)(Δx)
Si
la variación del volumen es ΔV = A(Δx), el trabajo realizado por el gas es:
W = P ΔV
Al
representar en un plano la presión en función del volumen, se observa que el
trabajo realizado por el gas corresponde al área comprendida entre la gráfica y
el eje horizontal; ya sea que se haga a presión constante o no como lo muestran
las gráficas a continuación.
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