Ecuación de la energía interna
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Para comprender y realizar cualquier tipo de cálculo termodinámico, primero debemos entender las leyes y conceptos fundamentales de la termodinámica. Por ejemplo, el trabajo y el calor son conceptos interrelacionados. El calor es la transferencia de energía térmica entre dos cuerpos que están a diferentes temperaturas y no es igual a la energía térmica. El trabajo es la fuerza utilizada para transferir energía entre un sistema y su entorno y es necesario para crear calor y transferir energía térmica. Tanto el trabajo como el calor permiten que los sistemas intercambien energía. La relación entre ambos conceptos puede analizarse a través del tema de la Termodinámica, que es el estudio científico de la interacción del calor y otros tipos de energía.
Para entender la relación entre el trabajo y el calor, es necesario comprender un tercer factor de unión: el cambio de energía interna. La energía no puede crearse ni destruirse, pero puede convertirse o transferirse. La energía interna se refiere a toda la energía dentro de un sistema determinado, incluyendo la energía cinética de las moléculas y la energía almacenada en todos los enlaces químicos entre las moléculas. Con las interacciones del calor, el trabajo y la energía interna, hay transferencias y conversiones de energía cada vez que se produce un cambio en un sistema. Sin embargo, durante estas transferencias no se crea ni se pierde energía neta.
Energía interna
Los conceptos de trabajo y energía ya se han tratado en mecánica. En los capítulos anteriores también se han tratado ejemplos y cuestiones relacionadas con la transferencia de calor entre diferentes objetos. Aquí queremos ampliar estos conceptos a un sistema termodinámico y su entorno. En concreto, en los dos capítulos anteriores hemos profundizado en los conceptos de calor y transferencia de calor. Aquí queremos entender cómo se realiza el trabajo por o hacia un sistema termodinámico; cómo se transfiere el calor entre un sistema y su entorno; y cómo cambia la energía total del sistema bajo la influencia del trabajo realizado y la transferencia de calor.
Una fuerza creada a partir de cualquier fuente puede realizar trabajo al mover un objeto mediante un desplazamiento. Entonces, ¿cómo realiza trabajo un sistema termodinámico? (La figura muestra un gas confinado en un cilindro que tiene un pistón móvil en un extremo. Si el gas se expande contra el pistón, ejerce una fuerza a través de una distancia y realiza un trabajo sobre el pistón. Si el pistón comprime el gas cuando se mueve hacia dentro, también se realiza trabajo, en este caso, sobre el gas. El trabajo asociado a estos cambios de volumen puede determinarse de la siguiente manera: Sea la presión del gas en la cara del pistón p. Entonces la fuerza sobre el pistón debida al gas es pA, donde A es el área de la cara. Cuando el pistón es empujado hacia afuera una distancia infinitesimal dx, la magnitud del trabajo realizado por el gas es
Fórmula de trabajo por volumen
La primera ley de la termodinámica establece que la energía de un sistema cerrado se conserva. Por lo tanto, para cambiar la energía de un sistema, se debe transferir energía hacia o desde el sistema. El calor y el trabajo son los dos únicos mecanismos por los que se puede transferir energía hacia o desde una masa de control. El calor es la transferencia de energía causada por la diferencia de temperatura. La unidad para la cantidad de energía transferida por el calor en el Sistema Internacional de Unidades SI es el julio (J), aunque la Unidad Térmica Británica y la caloría se siguen utilizando ocasionalmente en Estados Unidos. La unidad para la velocidad de transferencia de calor es el vatio (W = J/s).
La transferencia de calor es una función de trayectoria (cantidad de proceso), a diferencia de una función puntual (cantidad de estado). El calor fluye entre sistemas que no están en equilibrio térmico entre sí; fluye espontáneamente de las zonas de alta temperatura a las de baja temperatura. Cuando dos cuerpos de diferente temperatura entran en contacto térmico, intercambiarán energía interna hasta que sus temperaturas se igualen; es decir, hasta que alcancen el equilibrio térmico. El adjetivo caliente se utiliza como término relativo para comparar la temperatura del objeto con la del entorno (o la de la persona que utiliza el término). El término calor se utiliza para describir el flujo de energía. En ausencia de interacciones de trabajo, el calor que se transfiere a un objeto acaba almacenándose en él en forma de energía interna.
Diferencia entre trabajo y calor
Calor vs trabajoEl calor y el trabajo son dos formas diferentes de transferir energía de un sistema a otro. La distinción entre calor y trabajo es importante en el campo de la termodinámica. El calor es la transferencia de energía térmica entre sistemas, mientras que el trabajo es la transferencia de energía mecánica entre dos sistemas. Esta distinción entre el movimiento microscópico (calor) y el movimiento macroscópico (trabajo) es crucial para el funcionamiento de los procesos termodinámicos. El calor puede transformarse en trabajo y viceversa (véase el equivalente mecánico del calor), pero no son lo mismo. La primera ley de la termodinámica establece que tanto el calor como el trabajo contribuyen a la energía interna total de un sistema, pero la segunda ley de la termodinámica limita la cantidad de calor que puede convertirse en trabajo.
