Física

la Figura 1. Esta tetera hirviendo representa la energía en movimiento. El agua de la caldera se está convirtiendo en vapor de agua porque el calor se está transfiriendo de la estufa a la caldera. A medida que todo el sistema se calienta, se realiza el trabajo, desde la evaporación del agua hasta el silbido de la tetera. (crédito: Gina Hamilton)

si estamos interesados en cómo la transferencia de calor se convierte en trabajo, entonces el principio de conservación de energía es importante., La primera ley de la termodinámica aplica el principio de conservación de energía a los sistemas donde la transferencia de calor y el trabajo son los métodos de transferencia de energía dentro y fuera del sistema. La primera ley de la termodinámica establece que el cambio en la energía interna de un sistema es igual a la transferencia neta de calor en el sistema menos el trabajo neto realizado por el sistema. En forma de ecuación, la primera ley de la termodinámica es ΔU = Q-W.

aquí ΔU es el cambio en la energía interna U del sistema., Q es el calor neto transferido al sistema, es decir, Q es la suma de toda la transferencia de Calor Dentro y fuera del sistema. W es el trabajo neto realizado por el sistema, es decir, W es la suma de todo el trabajo realizado sobre o por el sistema. Usamos las siguientes convenciones de signos: si Q es positivo, entonces hay una transferencia neta de calor en el sistema; si W es positivo, entonces hay trabajo neto realizado por el sistema. Tan positivo Q añade energía al sistema y positivo W toma energía del sistema. Así ΔU = Q-W., Tenga en cuenta también que si se produce más transferencia de calor en el sistema que el trabajo realizado, la diferencia se almacena como energía interna. Los motores térmicos son un buen ejemplo de esto: la transferencia de calor en ellos se lleva a cabo para que puedan hacer el trabajo. (Véase La Figura 2.) Ahora examinaremos Q, W y ΔU más adelante.

la Figura 2. La primera ley de la termodinámica es el principio de conservación de energía establecido para un sistema donde el calor y el trabajo son los métodos de transferencia de energía para un sistema en equilibrio térmico., Q representa la transferencia neta de calor – es la suma de todas las transferencias de Calor Dentro y fuera del sistema. Q es positivo para la transferencia neta de calor en el sistema. W es el trabajo total realizado en y por el sistema. W es positivo cuando el sistema realiza más trabajo que en él. El cambio en la energía interna del sistema, ΔU, está relacionado con el calor y el trabajo por la primera ley de la termodinámica, ΔU = Q-W.,

calor Q y Trabajo W

la transferencia de calor (Q) y hacer trabajo (W) son los dos medios cotidianos de traer energía o sacar energía de un sistema. Los procesos son muy diferentes., La transferencia de calor, un proceso menos organizado, es impulsado por las diferencias de temperatura. El trabajo, un proceso bastante organizado, implica una fuerza macroscópica ejercida a distancia. Sin embargo, el calor y el trabajo pueden producir resultados idénticos.Por ejemplo, ambos pueden causar un aumento de la temperatura. La transferencia de calor a un sistema, como cuando el Sol calienta el aire en un neumático de bicicleta, puede aumentar su temperatura, y también puede funcionar en el sistema, como cuando el ciclista bombea aire en el neumático. Una vez que se ha producido el aumento de temperatura, es imposible saber si fue causado por la transferencia de calor o por hacer trabajo., Esta incertidumbre es un punto importante. La transferencia de calor y el trabajo son energía en tránsito-ninguna se almacena como tal en un sistema. Sin embargo, ambos pueden cambiar la energía interna U de un sistema. La energía interna es una forma de energía completamente diferente del calor o del trabajo.

energía interna u

podemos pensar en la energía interna de un sistema de dos maneras diferentes pero consistentes. La primera es la vista atómica y molecular, que examina el sistema a escala atómica y molecular., La energía interna U de un sistema es la suma de las energías cinéticas y potenciales de sus átomos y moléculas. Recordemos que la energía cinética más la energía potencial se llama energía mecánica. Así, la energía interna es la suma de la energía mecánica atómica y molecular. Debido a que es imposible hacer un seguimiento de todos los átomos y moléculas individuales, debemos lidiar con promedios y distribuciones. Una segunda forma de ver la energía interna de un sistema es en términos de sus características macroscópicas, que son muy similares a los valores promedio atómicos y moleculares.,

macroscópicamente, definimos el cambio en la energía interna ΔU como la dada por la primera ley de la termodinámica: ΔU = Q− W.

muchos experimentos detallados han verificado Que ΔU = Q − W, donde ΔU es el cambio en la energía cinética total y potencial de todos los átomos y moléculas en un sistema. También se ha determinado experimentalmente que la energía interna U de un sistema depende solo del estado del sistema y no de cómo alcanzó ese estado., Más específicamente, se encuentra que U es una función de unas pocas cantidades macroscópicas (presión, volumen y temperatura, por ejemplo), independientemente de la historia pasada, como si se ha realizado transferencia de calor o trabajo. Esta independencia significa que si conocemos el estado de un sistema, podemos calcular los cambios en su energía interna U A partir de unas pocas variables macroscópicas.,

para tener una mejor idea de cómo pensar sobre la energía interna de un sistema, examinemos un sistema que va del Estado 1 al estado 2., El sistema tiene energía interna U1 en el estado 1, y tiene energía interna U2 en el estado 2, no importa cómo llegó a cualquiera de los dos Estados. Así que el cambio en la energía interna ΔU = U2-U1 es independiente de lo que causó el cambio. En otras palabras, ΔU es independiente de la trayectoria. Por ruta, nos referimos al método de llegar desde el punto de partida hasta el punto final. ¿Por qué es importante esta independencia? Tenga en cuenta que ΔU = Q − W. tanto Q Como Wdependen en la ruta, pero ΔU no. Esta independencia de ruta significa que la energía interna U es más fácil de considerar que la transferencia de calor o el trabajo realizado.

ejemplo 1., Calculando el cambio en la energía interna: el mismo cambio en U es producido por dos procesos diferentes

1. supongamos que hay transferencia de calor de 40.00 J a un sistema, mientras que el sistema hace 10.00 J de trabajo. Más tarde, hay una transferencia de calor de 25.00 J fuera del sistema, mientras que 4.00 J de trabajo se realiza en el sistema. ¿Cuál es el cambio neto en la energía interna del sistema?
2. ¿Cuál es el cambio en la energía interna de un sistema cuando un total de 150.00 J de transferencia de calor ocurre fuera del sistema y 159.00 J de trabajo se realiza en el sistema? (Véase La Figura 3).,

la Figura 3. Dos procesos diferentes producen el mismo cambio en un sistema. (a) un total de 15.00 J de transferencia de calor se produce en el sistema, mientras que el trabajo saca un total de 6.00 J. El cambio en la energía interna es ΔU=Q−W=9.00 J. (b) la transferencia de calor elimina 150.00 J del sistema mientras que el trabajo pone 159.00 J en él, produciendo un aumento de 9.00 J en la energía interna., Si el sistema comienza en el mismo estado en (A) y (b), terminará en el mismo estado final en cualquier caso: su estado final está relacionado con la energía interna, no con cómo se adquirió esa energía.

estrategia

en la parte 1, Primero debemos encontrar la transferencia de calor neta y el trabajo neto realizado a partir de la información dada. Entonces la primera ley de la termodinámica (ΔU = Q-W) se puede utilizar para encontrar el cambio en la energía interna. En la Parte (b), se dan la transferencia neta de calor y el trabajo realizado, por lo que la ecuación se puede usar directamente.,

solución para la Parte 1

la transferencia de calor neta es la transferencia de calor al sistema menos la transferencia de calor fuera del sistema, o

Q = 40.00 J − 25.00 J = 15.00 J.

del mismo modo, el trabajo total es el trabajo realizado por el sistema menos el trabajo realizado en el sistema, o

W = 10.00 J − 4.00 J = 6.00 J.

Por lo tanto, el cambio en la energía interna está dado por la primera ley de la termodinámica:

δu = q − w = 15.00 J − 6.00 J = 9.00 J.,

también podemos encontrar el cambio en la energía interna para cada uno de los dos pasos. Primero, considere 40.00 J de transferencia de calor y 10.00 J de trabajo, o ΔU1 = Q1 − W1 = 40.00 J − 10.00 J = 30.00 J.

Ahora considere 25.00 J de transferencia de calor y 4.00 J de trabajo, o

ΔU2 = Q2 − W2 = -25.00 j −(-4.00 j) = -21.00 J.

el cambio total es la suma de estos dos pasos, o δu = Δu1 + Δu2 = 30.00 J + (-21.00 j) = 9.00 J.,

discusión sobre la Parte 1

no importa si miras el proceso general o lo divides en pasos, el cambio en la energía interna es el mismo.

solución para la Parte 2

Aquí la transferencia de calor neta y el trabajo total se dan directamente a ser Q=-150.00 J Y W=-159.00 J, de modo que

ΔU = Q – W = -150.00 J –(-159.00 J) = 9.00 J.

discusión en la parte 2

un proceso muy diferente en la parte 2 produce el mismo cambio de 9.00-j en la energía interna que en la Parte 1., Tenga en cuenta que el cambio en el sistema en ambas partes está relacionado con ΔU y no con el QS O Ws individual involucrado. El sistema termina en el mismo estado en ambas partes. Las partes 1 y 2 presentan dos caminos diferentes para que el sistema siga entre los mismos puntos de inicio y final, y el cambio en la energía interna para cada uno es el mismo—es independiente del camino.

el metabolismo humano y la primera ley de la termodinámica

el metabolismo humano es la conversión de los alimentos en transferencia de calor, trabajo y grasa almacenada. El metabolismo es un ejemplo interesante de la primera ley de la termodinámica en acción., Ahora echemos otro vistazo a estos temas a través de la primera ley de la termodinámica. Considerando el cuerpo como el sistema de interés, podemos usar la primera ley para examinar la transferencia de calor, el trabajo y la energía interna en actividades que van desde el sueño hasta el ejercicio pesado. ¿Cuáles son algunas de las principales características de la transferencia de calor, el trabajo y la energía en el cuerpo? Por un lado, la temperatura corporal normalmente se mantiene constante mediante la transferencia de calor a los alrededores. Esto significa Q es negativo. Otro hecho es que el cuerpo generalmente funciona en el mundo exterior. Esto significa que W es positivo., En tales situaciones, entonces, el cuerpo pierde energía interna, ya que ΔU = Q-W es negativo.

Ahora considere los efectos de comer. Comer aumenta la energía interna del cuerpo al agregar energía potencial química (esta es una visión poco romántica de un buen filete). El cuerpo metaboliza todos los alimentos que consumimos. Básicamente, el metabolismo es un proceso de oxidación en el que se libera la energía potencial química de los alimentos. Esto implica que el aporte de alimentos es en forma de trabajo. La energía de los alimentos se informa en una unidad especial, conocida como la caloría., Esta energía se mide quemando alimentos en un calorímetro, que es cómo se determinan las unidades.

en química y bioquímica, una caloría (escrita con una c minúscula) se define como la energía (o transferencia de calor) requerida para elevar la temperatura de un gramo de agua pura en un grado Celsius. Los nutricionistas y los observadores de peso tienden a usar la caloría dietética, que con frecuencia se llama caloría (deletreada con una C mayúscula). Una caloría alimentaria es la energía necesaria para elevar la temperatura de un kilogramo de agua en un grado Celsius., Esto significa que una caloría dietética es igual a una kilocaloría para el químico, y uno debe tener cuidado de evitar la confusión entre las dos.

nuevamente, considere la energía interna que el cuerpo ha perdido. Hay tres lugares a los que puede ir Esta energía interna: la transferencia de calor, el trabajo y la grasa almacenada (una pequeña fracción también va a la reparación y el crecimiento celular). La transferencia de calor y el trabajo eliminan la energía interna del cuerpo, y la comida la devuelve. Si comes la cantidad correcta de comida, entonces tu energía interna promedio permanece constante., Lo que se pierde en la transferencia de calor y haciendo el trabajo es reemplazado por la comida, de modo que, a largo plazo, ΔU=0. Si comes en exceso repetidamente, entonces ΔU siempre es positivo, y tu cuerpo almacena esta energía interna adicional como grasa. Lo contrario es cierto si comes muy poco. Si ΔU es negativo durante unos días, entonces el cuerpo metaboliza su propia grasa para mantener la temperatura corporal y hacer el trabajo que toma energía del cuerpo. Este proceso es cómo la dieta produce pérdida de peso.

La vida no siempre es tan simple, como cualquier persona a dieta sabe., El cuerpo almacena grasa o la metaboliza solo si la ingesta de energía cambia durante un período de varios días. Una vez que haya estado en una dieta importante, la siguiente es menos exitosa porque su cuerpo altera la forma en que responde a la baja ingesta de energía. Su tasa metabólica basal (TMB) es la velocidad a la que los alimentos se convierten en transferencia de calor y el trabajo realizado mientras el cuerpo está en completo reposo. El cuerpo ajusta su tasa metabólica basal para compensar parcialmente la ingesta excesiva o insuficiente de alimentos. El cuerpo disminuirá la tasa metabólica en lugar de eliminar su propia grasa para reemplazar la ingesta de alimentos perdidos., Se enfriará más fácilmente y se sentirá menos enérgico como resultado de la tasa metabólica más baja, y no perderá peso tan rápido como antes. El ejercicio ayuda a perder peso, ya que produce tanto la transferencia de calor de su cuerpo y el trabajo, y aumenta su tasa metabólica incluso cuando está en reposo. La pérdida de peso también es ayudada por la eficiencia bastante baja del cuerpo en la conversión de energía interna para trabajar, por lo que la pérdida de energía interna resultante de hacer el trabajo es mucho mayor que el trabajo done.It cabe señalar, sin embargo, que los sistemas vivos no están en equilibrio térmico.,

el cuerpo nos proporciona una excelente indicación de que muchos procesos termodinámicos son irreversibles. Un proceso irreversible puede ir en una dirección pero no al revés, bajo un conjunto dado de condiciones. Por ejemplo, aunque la grasa corporal se puede convertir para hacer trabajo y producir transferencia de calor, el trabajo realizado en el cuerpo y la transferencia de calor en él no se pueden convertir en grasa corporal. De lo contrario, podríamos saltarnos el almuerzo tomando el sol o bajando las escaleras. Otro ejemplo de un proceso termodinámico irreversible es la fotosíntesis., Este proceso es la ingesta de una forma de energía—la luz—por las plantas y su conversión en energía potencial química. Ambas aplicaciones de la primera ley de la termodinámica se ilustran en la Figura 4. Una gran ventaja de las leyes de conservación como la primera ley de la termodinámica es que describen con precisión los puntos iniciales y finales de procesos complejos, como el metabolismo y la fotosíntesis, sin tener en cuenta las complicaciones intermedias. La tabla 1 presenta un resumen de términos relevantes para la primera ley de la termodinámica.,

la Figura 4. (a) la primera ley de la termodinámica aplicada al metabolismo. El calor transferido fuera del cuerpo (Q) y el trabajo realizado por el cuerpo (W) eliminan la energía interna, mientras que la ingesta de alimentos la reemplaza. (La ingesta de alimentos puede considerarse como un trabajo realizado en el cuerpo.(B) Las plantas convierten parte de la transferencia de calor radiante en la luz solar en energía química almacenada, un proceso llamado fotosíntesis.

resumen de la sección

• La primera ley de termodinámica se da como ΔU = Q − W, donde ΔU es el cambio en la energía interna de un sistema, Q Es la transferencia neta de calor (la suma de toda la transferencia de Calor Dentro y fuera del sistema), y trabajo realizado (la suma de todo el trabajo realizado en o por el sistema).
• tanto Q Como W son energía en tránsito; solo ΔU representa una cantidad independiente capaz de ser almacenada.,
• La energía interna U de un sistema depende solo del estado del sistema y no de cómo alcanzó ese estado.
• El metabolismo de los organismos vivos, y la fotosíntesis de las plantas, son tipos especializados de transferencia de calor, haciendo el trabajo, y la energía interna de los sistemas.

Glosario

primera ley de la termodinámica: establece que el cambio en la energía interna de un sistema es igual a la transferencia neta de calor al sistema menos el trabajo neto realizado por el sistema

energía interna: la suma de las energías cinéticas y potenciales de los átomos y moléculas de un sistema

metabolismo humano: conversión de alimentos en transferencia de calor, trabajo y grasa almacenada