La Primera Ley de la Termodinámica - Clase 9 Termodinámica

Summary

En esta clase de termodinámica, el instructor Gabriel Fernando García Sánchez introduce la primera ley de la termodinámica, una ley fundamental para la universidad y la ingeniería. Se discuten conceptos clave como calor y trabajo, y se enuncia la ley, que establece que la energía no se crea ni se destruye, sino que solo se transforma. Se explica cómo la energía se transfere en procesos adiabáticos y se da un ejemplo de cómo la energía interna de un sistema cerrado cambia debido al calor y al trabajo. El script es una guía para entender los principios básicos de la termodinámica y su aplicación en la ingeniería.

Takeaways

• 😀 La primera ley de la termodinámica es un principio fundamental en ingeniería y es importante tanto para la universidad como para la aplicación profesional.
• 🔥 El calor es la energía que se transfiere entre dos sistemas debido a la diferencia de temperatura y se representa con la letra 'q'.
• 🌡️ La temperatura es la medida en la que se basa el flujo de calor entre dos sistemas, buscando alcanzar el equilibrio térmico.
• ⚙️ El trabajo es la transferencia de energía asociada con una fuerza que actúa a lo largo de una distancia y se representa con la letra 'w'.
• 🔄 La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma, lo que es un concepto central de la primera ley de la termodinámica.
• 🛠️ Los sistemas termodinámicos pueden ser cerrados, donde no puede entrar o salir masa, o abiertos, donde la masa puede variar.
• 🔧 El trabajo puede ser expresado en多种形式, incluyendo trabajo por unidad de masa y potencia, que es trabajo por unidad de tiempo.
• 📉 Un proceso adiabático es uno en el que no hay transferencia de calor, ya sea porque el sistema está bien aislado o porque está en equilibrio térmico con su entorno.
• 🚫 La energía puede entrar o salir del sistema en forma de calor, trabajo o flujo mágico (masa entrando o saliendo del sistema).
• 📚 La energía final menos la energía inicial es igual al calor que entra más el trabajo que entra menos el calor que sale y el trabajo que sale, lo que se puede representar como ΔU = Q - W.

Q & A

¿Qué es la primera ley de la termodinámica y cómo se relaciona con la energía?

La primera ley de la termodinámica, también conocida como el principio de conservación de la energía, establece que la energía no se crea ni se destruye, sino que solo se transforma. Esto significa que en cualquier proceso, la suma de la energía en todo el sistema permanece constante.

¿Cómo se define el calor en el contexto de la termodinámica?

El calor es la energía que se transfiere naturalmente entre dos sistemas debido a la diferencia de temperatura. Se representa con la letra 'q' y se mantiene hasta que se alcanza el equilibrio térmico, es decir, cuando ambos sistemas tienen la misma temperatura.

¿Cómo se mide y expresa el calor en términos de energía?

El calor se expresa en unidades de energía, como kilo yuls (kJ) en el sistema internacional o btus (British Thermal Units) en el sistema británico. También se puede expresar por unidad de masa como 'q' minúscula, que es 'Q' mayúscula dividido por la masa (M).

¿Qué es un proceso adiabático y cómo se relaciona con la transferencia de calor?

Un proceso adiabático es aquel en el que no hay transferencia de calor. Esto puede ocurrir si el sistema está bien aislado o si ya está a la misma temperatura que su entorno, lo que impide el flujo de energía térmica.

¿Cómo se define el trabajo en la termodinámica y cómo se relaciona con la energía?

El trabajo en termodinámica es la transferencia de energía relacionada con una fuerza que actúa a lo largo de una distancia. Se expresa en unidades de energía y se relaciona con la energía al ser una forma en la que la energía puede cambiar de un sistema a otro o ser transformada dentro de un sistema.

¿Qué es un sistema termodinámico y cómo se clasifican?

Un sistema termodinámico es la parte del universo que se elige para análisis, ya sea una cantidad de masa fija o una región en el espacio. Se clasifican como cerrados (no hay intercambio de masa con el entorno), abiertos (hay intercambio de masa) o aislados (no hay intercambio de energía ni masa con el entorno).

¿Cuál es la diferencia entre sistemas cerrados y sistemas abiertos en termodinámica?

En los sistemas cerrados, la masa no puede entrar ni salir, ya que se ha elegido una cantidad de masa fija para el análisis. En cambio, en los sistemas abiertos, la masa puede fluir libremente en y fuera del sistema, ya que se trata de una región del espacio.

¿Cómo se relaciona el trabajo de frontera móvil con la expansión o compresión de gases?

El trabajo de frontera móvil se refiere a la energía involucrada en la expansión o compresión de gases en un cilindro émbolo o similar. Se calcula como la integral de la presión por el diferencial de volumen, lo que representa el área bajo la curva de presión versus volumen en una gráfica.

¿Cómo se calcula el trabajo eléctrico y cómo se relaciona con la energía?

El trabajo eléctrico se calcula como la diferencia de potencial (voltaje) multiplicado por la corriente y el tiempo. Se relaciona con la energía ya que el trabajo es una forma de transferencia de energía en sistemas eléctricos.

¿Cómo se aplica la primera ley de la termodinámica a un sistema cerrado?

En un sistema cerrado, la primera ley de la termodinámica se aplica de tal manera que la energía final menos la energía inicial es igual al calor neto entrante (calor entrante menos calor saliente) menos el trabajo neto saliente (trabajo saliente menos trabajo entrante). Esto se conoce como el cambio en la energía interna del sistema (ΔU).

¿Cómo se determina la energía interna final de un sistema cerrado que pierde calor y tiene trabajo realizado sobre él?

Para determinar la energía interna final, se utiliza la ecuación ΔU = Q - W, donde ΔU es el cambio en la energía interna, Q es el calor que entra en el sistema (negativo si sale) y W es el trabajo realizado sobre el sistema (negativo si el sistema realiza trabajo). Suministrando estos valores, se puede calcular la energía interna final.