La Termodinámica es una de las ramas más antiguas e importantes de la
Física. Se basa en el estudio de las características macroscópicas de un
sistema sin conocer el detalle de la física microscópica que
interviene.
Los sistemas físicos que encontramos en la Naturaleza consisten en un
agregado de un número muy grande de átomos.
La materia está en uno de los tres estados: sólido, líquido o gas: En los sólidos,
las posiciones relativas (distancia y orientación) de los átomos o moléculas son fijas.
En los líquidos, las distancias entre las moléculas son fijas, pero su orientación
relativa cambia continuamente. En los gases, las distancias entre moléculas, son en
general, mucho más grandes que las dimensiones de las mismas. Las fuerzas entre las
moléculas son muy débiles y se manifiestan principalmente en el momento en el que
chocan. Por esta razón, los gases son más fáciles de describir que los sólidos y que los líquidos.
El gas contenido en un recipiente, está formado por un número muy grande de
moléculas, 6.02·10
23 moléculas en un mol de sustancia. Cuando se intenta
describir un sistema con un número tan grande de partículas resulta inútil (e
imposible) describir el movimiento individual de cada componente. Por lo que mediremos
magnitudes que se refieren al conjunto: volumen ocupado por una masa de gas, presión que
ejerce el gas sobre las paredes del recipiente y su temperatura. Estas cantidades físicas
se denominan macroscópicas, en el sentido de que no se refieren al movimiento individual
de cada partícula, sino del sistema en su conjunto.
La primera ley no es otra cosa que el principio de conservación de la energía
aplicado a un sistema de muchísimas partículas. A cada estado del sistema le corresponde
una energía interna
U. Cuando el sistema pasa del estado A al estado B, su
energía interna cambia en
DU=UB-UA
Supongamos que el sistema está en el estado A y realiza un trabajo
W,
expandiéndose. Dicho trabajo mecánico da lugar a un cambio (disminución) de la energía
interna de sistema
DU=-W
También podemos cambiar el estado del sistema poniéndolo en contacto térmico con
otro sistema a diferente temperatura. Si fluye una cantidad de calor
Q del segundo
al primero, aumenta su energía interna en
DU=Q
Si el sistema experimenta una transformación cíclica, el cambio en la energía
interna es cero, ya que se parte del estado A y se regresa al mismo estado,
DU=0. Sin embargo, durante el ciclo el sistema ha efectuado un
trabajo, que ha de ser proporcionado por los alrededores en forma de transferencia de
calor, para preservar el principio de conservación de la energía,
W=Q.
- Si la transformación no es cíclica DU¹
0
- Si no se realiza trabajo mecánico DU=Q
- Si el sistema está aislado térmicamente DU=-W
- Si el sistema realiza trabajo, U disminuye
- Si se realiza trabajo sobre el sistema, U aumenta
- Si el sistema absorbe calor al ponerlo en contacto térmico con un foco a temperatura
superior, U aumenta.
- Si el sistema cede calor al ponerlo en contacto térmico con un foco a una temperatura
inferior, U disminuye.
Todo estos casos, los podemos resumir en una única ecuación que describe la
conservación de la energía del sistema.
Si el estado inicial y final están muy próximos entre sí, el primer principio se
escribe
dU=dQ-pdV