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.

Outlines

00:00

🔥 Introducción a la Primera Ley de la Termodinámica

El primer párrafo presenta la nueva clase de termodinámica, enfocándose en la Primera Ley como un concepto fundamental para la universidad y aplicaciones profesionales en ingeniería. Se mencionan los temas clave como calor y trabajo, y se describe cómo se aplicará la ley en sistemas cerrados. Se da un ejemplo práctico del intercambio de calor entre dos sistemas con diferentes temperaturas, y se explica cómo el calor se mide en kilo yuls o btus. Además, se introduce la idea de sistemas termodinámicos como cerrados o abiertos, dependiendo de si la masa puede o no cruzar sus fronteras.

05:02

🔧 Sistemas Cerrados y Abiertos en Termodinámica

Este párrafo profundiza en los conceptos de sistemas cerrados y abiertos. En un sistema cerrado, la masa es fija y no puede entrar ni salir, mientras que en un sistema abierto, la masa puede variar. Se ilustra con ejemplos como una botella que permite el ingreso y egreso de agua. También se define el trabajo como la transferencia de energía asociada con una fuerza que actúa a lo largo de una distancia, y se mencionan las unidades de medida para el trabajo, como kilo yules y btús, así como su expresión en términos de potencia.

10:02

🔄 Trabajo y Energía en Sistemas Cilíndricos y de Resorte

El tercer párrafo explora el trabajo en sistemas cilíndricos y de resorte. Se analiza el trabajo realizado al estirar o comprimir un resorte, siguiendo la ley de Hooke, y se calcula mediante la integral de la fuerza por la distancia de desplazamiento. También se discute el trabajo de frontera móvil, relacionado con la expansión o compresión de gases, y se ilustra cómo el trabajo se calcula como la integral de la presión por el diferencial de volumen. Se mencionan ejemplos de recipientes rígidos y sistemas cilindro-émbolo para demostrar casos en los que el trabajo es cero o se expresa como el área bajo una curva de presión-volumen.

15:04

⚡ Trabajo Eléctrico y Primera Ley de la Termodinámica

Este párrafo introduce el trabajo eléctrico, que es crucial para ingenieros eléctricos y electrónicos, y se relaciona con el trabajo realizado por electrones movidos por fuerzas electromotrices. Se describe cómo se puede expresar en términos de potencia, diferencial de potencial y corriente. Luego, se enuncia la Primera Ley de la Termodinámica, que establece que la energía no se crea ni se destruye, sino que solo se transforma, y se ejemplifica con casos como la caída de una roca y los choques en válvulas que transforman energía de presión en energía cinética.

20:04

📉 Energía en Sistemas y Ejemplo de Aplicación

El quinto párrafo se centra en cómo la energía puede entrar o salir de un sistema en forma de calor, trabajo o flujo mágico (masa entrando o saliendo del sistema). Se explica que la energía final menos la energía inicial es igual al calor que entra, el trabajo que entra, menos el calor que sale y el trabajo que sale. Se utiliza el ejemplo de comprar un combo en un descanso para ilustrar este concepto. Se resalta que en sistemas cerrados, la energía neta es igual al calor neto de entrada menos el trabajo neto de salida, y se define el cambio en la energía interna del sistema.

25:05

🌡 Ejemplo de Aplicación de la Primera Ley en un Sistema Cerrado

El sexto y último párrafo presenta un ejemplo práctico de cómo aplicar la Primera Ley de la Termodinámica en un sistema cerrado. Se describe un escenario en el que un fluido caliente en un recipiente rígido pierde calor y energía debido al trabajo realizado por un ventilador. Se calcula la energía interna final del sistema usando la ecuación Delta U = Q - W, donde Q es el calor que sale del sistema y W es el trabajo negativo debido a la acción del ventilador. El ejemplo demuestra cómo la energía interna del sistema cambia a lo largo del proceso.

Keywords

💡Primera Ley de la Termodinámica

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. En el video, esta ley es central para entender cómo funciona el intercambio de energía entre sistemas y su aplicación en la ingeniería. Se ilustra con ejemplos como la transformación de energía potencial a energía cinética al soltar una roca o el cambio de energía de presión a energía cinética en los choques de válvulas.

💡Calor

El calor se refiere a la energía que se transfiere entre dos sistemas debido a diferencias de temperatura. Es fundamental en la termodinámica y es representado por la letra 'q'. En el video, se menciona cómo el calor fluye de un sistema caliente a uno frío hasta alcanzar el equilibrio térmico, como en el ejemplo del café caliente que se enfría al estar en contacto con el ambiente.

💡Trabajo

El trabajo es la transferencia de energía relacionada con una fuerza que actúa a lo largo de una distancia. Se expresa en kiloJules (kJ) o btús y se relaciona con la fuerza y el desplazamiento en la misma dirección. En el video, se ejemplifica con la acción de levantar una caja o el movimiento de un émbolo en un cilindro, donde la energía se transforma a través del trabajo mecánico.

💡Sistemas Cerrados

Un sistema cerrado es aquel en el que la masa no puede entrar ni salir, lo que significa que se ha seleccionado una cantidad de masa fija para el análisis. En el video, se utiliza el concepto de sistema cerrado para aplicar la primera ley de la termodinámica, donde la masa es constante y el calor y el trabajo son las únicas formas de energía que pueden transferirse.

💡Adiabático

Un proceso adiabático es aquel en el que no hay transferencia de calor con el entorno. Se menciona en el video como un proceso que puede ocurrir si un sistema está bien aislado o si ya está en equilibrio térmico con su entorno, lo cual impide el flujo de calor.

💡Energía Interna

La energía interna de un sistema es la suma de la energía cinética y potencial de las partículas que lo componen. En el video, se discute cómo el cambio en la energía interna (ΔU) es igual al calor neto entrante menos el trabajo neto realizado por el sistema, que es crucial para entender los cambios energéticos en un proceso termodinámico.

💡Flujo Mágico

El flujo mágico, aunque no es un término técnico de la termodinámica, se utiliza en el video para describir de manera más accesible el concepto de masa entrando o saliendo del sistema, lo cual afecta la energía del sistema. Cuando masa entra en un sistema, aumenta su energía, y al salir, disminuye.

💡Potencia

La potencia es el trabajo realizado por unidad de tiempo y se representa con un 'w' con acento circunflejo. Es una forma de expresar la transferencia de energía a través del tiempo. En el video, se menciona como una forma de medir el trabajo eléctrico, donde se relaciona con la diferencia de potencial (voltaje) y la corriente.

💡Trabajo de Frontera Móvil

El trabajo de frontera móvil se refiere al trabajo realizado durante la expansión o compresión de gases en un cilindro émbolo. Se calcula como la integral de la presión por el diferencial de volumen y es igual al área bajo la curva de presión contra volumen en una gráfica. En el video, se utiliza para ilustrar cómo se calcula el trabajo en sistemas donde hay un cambio de volumen.

💡Trabajo Eléctrico

El trabajo eléctrico es mencionado en el video como una forma de trabajo que involucra a electrones moviéndose bajo la influencia de fuerzas electromotrices. Se expresa en términos de potencia (voltaje por corriente) y es relevante para ingenieros eléctricos y electrónicos, aunque también es aplicable en el contexto más amplio de la energía transformada y transferida.

Highlights

Introducción a la primera ley de la termodinámica y su importancia en la universidad y aplicaciones profesionales.

Explicación de los conceptos fundamentales de calor y trabajo en termodinámica.

Calor como energía transferida debido a diferencias de temperatura.

Ejemplo práctico del flujo de calor en un café caliente.

Unidad de medida del calor: kilo yuls y btu.

Diferenciación entre calor por unidad de masa y tasa de transferencia de calor.

Definición de procesos adiabáticos y condiciones para su ocurrencia.

Concepto de sistemas termodinámicos y sus tipos: cerrados y abiertos.

Trabajo como transferencia de energía relacionada con una fuerza y desplazamiento.

Unidades de medida para el trabajo: kilo Jules y btú.

Ejemplos de trabajo mecánico y su representación matemática.

Trabajo de frontera móvil y su integral en sistemas de gases.

Trabajo eléctrico y su relación con la diferencia de potencial y la corriente.

Enunciado de la primera ley de la termodinámica: la energía no se crea ni se destruye, solamente se transforma.

Aplicación de la primera ley en ingeniería, ejemplo de choques en válvulas.

Métodos para calcular la energía en un sistema: calor, trabajo y flujo mágico.

Ecuación básica de la energía en sistemas cerrados.

Significado de los signos positivos y negativos en la energía y el trabajo.

Ejemplo de cálculo de energía interna en un sistema cerrado con calor y trabajo.

Conclusión y resumen de la clase con invitación a suscribirse para más contenido.

Transcripts

[Música]

Hola Qué tal amigos Bienvenidos a esta

nueva clase de termodinámica en esta

ocasión vamos a hablar de la primera ley

de la termodinámica como podemos

observarlo en la diapositiva que es un

principio fundamental que nos ayudará

mucho tanto en la universidad como en la

aplicación profesional de nuestra

ingeniería el contenido de esta

presentación es el que podemos observar

iniciaremos hablando de dos cuestiones

muy importantes que son calor y trabajo

son esenciales en esta parte

continuaremos enunciando la primera ley

de la termodinámica observando la

aplicación de esta ley en sistemas

cerrados y finalizaremos con un ejemplo

que nos ayudará a afianzar lo que ya

vimos en los otros

ítems de la presentación

entonces entrando en materia cuando

hablamos de calor estamos hablando de

esa energía que se transfiere

naturalmente entre dos sistemas debido a

la diferencia de temperatura es decir si

yo tengo un sistema caliente y un

sistema frío un cuerpo caliente y un

cuerpo frío habrá naturalmente un flujo

de energía del primero al segundo hasta

que se alcance el equilibrio térmico es

decir hasta que los dos lleguen a la

misma temperatura por ejemplo

consideremos la tasa de chocolate o el

café que consumimos en el desayuno así

calientita cuando esta fue servida tenía

una temperatura superior a la del medio

ambiente entonces empezó el flujo de

calor empezó un flujo de energía que

llamamos calor y que representamos con

la letra q

después

el que fue fluyendo este calor la

temperatura de esta bebida fue

disminuyendo disminuyendo hasta que

alcanzó la misma temperatura los

alrededores en este punto

el calor eso ese flujo de energía es eso

y por lo tanto podemos decir el calor se

mantendrá hasta que se alcance el

equilibrio térmico o hasta que el

sistema esté en la misma a la misma

temperatura de los alrededores a la

misma temperatura del sistema frío

como estamos hablando de energía podemos

expresar el calor en unidades de energía

las más utilizadas serán por lo tanto

kilo yuls en el sistema internacional o

btu en el sistema británico recordemos

que un kilo es un kilo Newton por metro

o mil kilogramos por metro cuadrado

sobre segundo cuadrado y un btu son

778.3 libras por pie en ocasiones es

útil expresar el calor por unidad de

masa en cuyo caso lo expresamos como

Q minúscula que será q mayúscula sobre M

es decir calor sobre masa que expresamos

en el sistema internacional en unidades

de kilo sobre kilo gramo también en

ocasiones es útil expresarlo como la

tasa de transferencia de calor es decir

el calor por unidad de tiempo en ese

caso lo expresaremos como q mayúscula

con un puntico Arriba ese puntico arriba

nos indica que estamos hablando de calor

por unidad de tiempo

Y si esta transferencia de calor es

constante

será igual a el calor

sobre el Delta de té como podemos ver si

despejamos la última ecuación que vemos

en la diapositiva

si durante un proceso no hay

transferencia de calor estamos hablando

de un proceso adiabático Ese es el

nombre que le damos un proceso puede ser

de esta manera si el sistema está bien

aislado o si ya se encuentra la misma

temperatura de los alrededores aquí

estamos hablando de

sistemas vamos a hacer un paréntesis y

vamos a recordar Qué es eso a lo que

estamos llamando sistemas en

termodinámica Pues bien un sistema

termodinámico recordando un poco el

inicio de esta materia es eso que

nosotros elegimos para analizar o esa

parte del universo que aislamos para

nuestro análisis nosotros podemos aislar

ya sea una cantidad de masa fija o una

región en el espacio por ejemplo podemos

elegir para analizar lo que sea podemos

elegir una cantidad de agua podemos

elegir una papa o una panela

una cantidad de arena podemos decir que

ese es nuestro sistema en cuyo caso será

una cantidad de masa fija o podemos

elegir una región en el espacio por

ejemplo el interior el espacio interno

de una botella o también puede ser el

salón donde estamos nuestro cuarto ese

puede ser nuestro sistema en cuyo caso

las fronteras Serán las paredes

y allí podrá entrar o salir gente y

demás en el primer caso cuando elegimos

una cantidad de masa fija estamos

hablando de sistemas cerrados o masa de

control y en el segundo caso estaremos

hablando de sistemas abiertos o volumen

de control

cuando estamos hablando de sistemas

cerrados

la masa no puede entrar o salir del

sistema no puede cruzar las fronteras

del sistema porque precisamente hemos

elegido una cantidad de masa fija

entonces No podemos quitarle masa o

añadirle masa porque es esa cantidad de

masa que hemos elegido y no más y cuando

hablamos de sistemas abiertos ya que

estos son una región en el espacio un

espacio que hemos elegido para analizar

ahí si puede entrar o salir masa del

sistema Por ejemplo si nuestro sistema

es una botella podemos añadirle agua

podemos sacarle agua entonces aumentará

o disminuirá la masa del sistema bueno

habiendo dicho esto entonces retornemos

a nuestro tema decimos que un proceso es

adiabático Es decir que no tiene

transferencia el calor si el sistema

está bien aislado eso que hemos elegido

para analizar está bien aislado lo cual

ocurre si le ponemos una especie de

abrigo como cuando nosotros utilizamos

una chaqueta para el frío

hay bloqueamos la salida de esa energía

bloqueamos la salida de calor y por lo

tanto la temperatura de nuestro cuerpo

no disminuye eso mismo ocurre con el

sistema si le ponemos un buen

aislamiento de manera que no deje pasar

nada y calor tenemos un sistema bien

aislado y Por ende un proceso adiabático

si el sistema está la misma temperatura

los alrededores es decir ya alcanzó el

equilibrio térmico ahí también tendremos

un proceso sin transferencia a calor por

ejemplo si nuestro sistema es una papa

como vemos en la diapositiva las

fronteras eran la cáscara pero si esta

papa está la misma temperatura los

alrededores no habrá flujo de calor

porque el calor como lo mencionamos

ocurre entre un cuerpo caliente un

sistema caliente y uno frío si están a

la misma temperatura Entonces no habrá

transferencia de calor

cuando hablamos de trabajo estamos

hablando de esa transferencia de energía

relacionada con una fuerza que actúa a

lo largo de una distancia

aquí recordemos el típico ejemplo de ese

señor que levante una caja y se mueve

horizontalmente con ella

el calor el trabajo Perdón ocurre

cuando la fuerza se realiza en la misma

dirección

del desplazamiento Entonces cuando este

señor levanta esa caja debido a que el

peso es una fuerza vertical

y él Está realizando un movimiento

vertical si se Está realizando trabajo

pero cuando ya la tiene levantada y

empieza a caminar de manera horizontal

en dirección horizontal ya no estamos

hablando de trabajo al realizar la

fuerza para levantar

esa caja o para mantenerla levantada

porque el peso de la caja es vertical y

el se está moviendo en dirección

horizontal la fuerza y la distancia no

están en la misma dirección por lo tanto

en este caso no habrá trabajo

lo mismo o un análisis similar podemos

hacer cuando estamos hablando de un

sistema cilindro émbolo estos sistemas

son como los pistones del motor de un

carro son un cilindro con una especie de

tapa o otro cilindro que hace sello con

unas paredes interiores del primero y

que es un cilindro sólido de modo que

entre los dos se puede

mantener algún fluido se puede contener

algún fluido

si hay un trabajo si hay una fuerza que

mueve ese émbolo hacia arriba o hacia

abajo

ahí También estamos hablando de trabajo

porque tenemos un desplazamiento

horizontal debido a una fuerza

horizontal

Aquí también estamos hablando de energía

y por lo tanto también utilizamos

unidades de energía kilo Jules en el

sistema internacional btú en el sistema

británico las más utilizadas al igual

que con el calor es útil expresar el

trabajo por unidad de masa en cuyo caso

lo expresaremos como w minúscula w

mayúscula que es el trabajo sobre la

masa

en unidades de kiluyú sobre kilogramo en

el sistema internacional una manera muy

común de expresar el trabajo es como

potencia que recordemos es trabajo por

unidad de tiempo y lo simbolizaremos

como W con un puntito arriba el puntito

arriba significa por unidad de tiempo

Hay muchas formas de trabajo como

ejemplo de unas muy utilizadas pueden

mencionar las formas mecánicas de

trabajo que son las que tienen que ver

con una fuerza que desplaza una

partícula a lo largo de una distancia y

que se expresa por medio de la ecuación

que estamos observando en la diapositiva

la integral de F que es la fuerza por la

diferencial del desplazamiento ejemplo

de estas formas son

el trabajo y resorte que es el trabajo

que se realiza

al sacar a este resorte de su posición

de equilibrio

recordemos que cuando estiramos o

comprimimos un resorte él va a ejercer

una fuerza intentando volver a su

posición original su posición de

equilibrio

Y si este resorte es

lineal por medio de la ley de Hook esa

fuerza será Igual acá una constante por

x que es la distancia que se desplazó

ese resorte desde su posición de

equilibrio si realizamos la integral de

esta ecuación

por medio de la ecuación que vemos en el

cuadro azul vemos que el trabajo de

resorte en un resorte lineal será igual

a un medio de K de la constante por

la posición final al cuadrado menos la

posición inicial al cuadrado de la punta

de ese resorte lo cual tiene unidades de

kilo y al estar hablando de energía

otro ejemplo de esto es el trabajo de

frontera móvil Ese es el trabajo que

tiene que ver con la expansión o

compresión de gases en un dilema en un

sistema cilindro émbolo

cuando se expande no se comprimen estos

gases va a haber un desplazamiento

y va a haber una fuerza que es la que

está ocasionando esa expansión o

compresión Entonces el del diferencial

de ese trabajo es igual la fuerza por el

diferencial de distancia de acuerdo a la

primera ecuación de la diapositiva

como esa fuerza se expresa en ese gas

como presión o por medio de la presión y

Nosotros sabemos que la presión es

fuerza sobre área esa fuerza será

presión por área ese diferencial de

trabajo será igual a presión por área

por el diferencial de desplazamiento y

recordemos que el volumen de un cilindro

es el área

horizontal el área transversal es decir

el área circular de esa sección

transversal por

la longitud entonces

área por diferencial desplazamiento será

igual a diferencial de volumen porque

tenemos el área por lo que se desplazó y

por lo tanto podemos concluir que cuando

estamos hablando de trabajo de frontera

Móvil El trabajo es igual a la integral

de la presión por el diferencial de

volumen

si llevamos esto a una gráfica presión

contra volumen podemos observar que el

trabajo de frontera móvil es igual al

área bajo la curva

de la presión contra el volumen

hagamos un ejemplo de esto para tener un

poco más claro si tenemos un recipiente

rígido con volumen constante podemos

decir también sistema cilindro ángulo

donde el émbolo no se mueve que contiene

una sustancia que sufre una variación de

presión

entonces observamos nuestra ecuación el

trabajo igual a la integral de la

presión por el diferencial de volumen

lo que podemos también graficar como lo

vemos en la diapositiva ahora será una

línea recta y fácilmente observamos que

se diferencial de volumen va a ser cero

porque tenemos un volumen constante por

lo tanto

el trabajo realizado en este proceso

será cero lo cual también podemos

observar al ver la Gráfica porque el

área bajo la curva presión contra

volumen es 0

otro ejemplo sería un gas contenido en

un sistema cilindro émbolo que aumenta

su volumen a una presión constante

en este caso cuando realizamos la

Gráfica vamos a tener que el área bajo

la curva es un rectángulo

y realizando la integral

vemos que el trabajo será igual a

presión por volumen final menos volumen

inicial

que también es la ecuación que nos

expresa el área bajo la curva de presión

contra volumen Entonces en este caso

vemos que el trabajo se puede expresar

como el área bajo la curva presión

contra volumen que en este caso es muy

sencilla simplemente será la presión por

el cambio de volumen que sufrió este

sistema en este proceso

otro tipo de trabajo también muy

utilizado muy útil para nosotros en la

ingeniería así no seamos ingenieros

electricistas o electrónicos es el

trabajo eléctrico muy utilizado por

todos los ingenieros que tiene que ver

con el trabajo que realizan los

electrones al cruzar las fronteras del

sistema porque ellos son movidos por

fuerzas

electromotrices entonces hay una fuerza

a lo largo de una distancia como

seguramente lo veremos en nuestros

cursos de Electricidad Esto será igual

al expresarla en términos de potencia

como la diferencia potencial el voltaje

por la corriente

si tenemos que esa diferencia de voltaje

y la corriente son constantes en una en

un intervalo de tiempo podemos expresar

el trabajo eléctrico como la diferencia

de potencial por la corriente Por ese

cambio tiempo ese Delta de tiempo

bien Ahora vamos a pasar ya a iniciar la

primera de la termodinámica ya que hemos

visto esos estas dos cuestiones muy

importantes que eran calor y trabajo la

primera ley de la termodinámica se puede

enunciar de muchas maneras diferentes

una de las más populares es la que

observamos en la diapositiva y que nos

dice la energía No se crea ni se

destruye solo se transforma seguramente

lo hemos visto inclusive en comerciales

en la televisión

es un enunciado muy popular y que lo que

nos dice es que no podemos

crear energía no podemos inventar

energía ni podemos destruirla solo

podemos pasarla de un tipo a otro

Por ejemplo si tenemos una roca que

dejamos caer de un acantilado o de la

parte más alta de un barranco La

soltamos desde el reposo y la dejamos

caer inicialmente debido a esa altura

Tenemos una gran energía potencial o Esa

roca tendrá una gran energía potencial y

como está en reposo no tendrá nada de

velocidad a medida que ella va cayendo

va disminuyendo su altura y por lo tanto

va disminuyendo su energía potencial

pero aumentando su energía cinética que

es la que tiene que ver con la velocidad

porque esta velocidad va aumentando

hasta que llega a la parte inferior

hasta que llega al piso donde ya no

tendrán nada de energía potencial y

tendrá la máxima energía cinética es

decir en este caso Tuvimos una

transformación de un tipo de energía a

otro tipo de energía de energía

potencial a energía cinética no se creó

no se destruyó energía solamente hubo un

cambio de un tipo de energía a otro tipo

de energía lo cual ocurre en todos los

procesos de la naturaleza y es lo que

nos dice la primera ley de la

termodinámica

un ejemplo más

aplicado a la ingeniería o más común en

la ingeniería sería lo que pasa con los

choques

Bueno vamos los choques son válvulas las

válvulas son como esas llaves que

utilizamos en nuestro lavamanos que nos

permite

bloquear o permitir el paso de un fluido

en ese caso agua esas válvulas son muy

utilizadas en la industria hay muchos

tipos muchos tamaños pero básicamente

tienen la misma función restringir El

paso del agua o permitir el paso de

bueno el agua o de cualquier fluido

recordemos que cuando hablamos de fluido

no solamente hablamos de líquidos la

palabra fluido hace referencia tanto a

líquidos como a gases que es un error

que muchas veces se cometen la industria

que se le llama fluido solamente los

líquidos pero no pueden ser líquidos o

gases bueno en cualquier caso

los choques son un tipo de válvulas que

se usan mucho en la industria petrolera

las labores de vuelta sí que tienen la

función de restringir El paso del fluido

que viene de un pozo petrolero ese

fluido que es una mezcla de gas de crudo

de agua

llega a esas válvulas a esos choques Y

entonces se encuentra una restricción no

puede pasar entonces se pegan Y luego

logran pasar con un aumento de velocidad

y con una disminución de presión debido

a esa restricción que ocurre en esos

choques hay un aumento de velocidad de

fluido y una disminución de la presión

es decir hay un cambio de energía de

flujo o energía de presión Como algunos

lo llaman a energía cinética No se crea

ni se destruye la energía solo hay una

transformación de ella y eso es lo que

nos dice la primera ley de la

termodinámica

Entonces si tenemos un sistema que

experimenta un proceso donde entra o

sale energía nosotros vemos que la

energía que vamos a tener al final va a

ser la energía inicial más la energía

que entran menos la energía que sale

esto es como cuando nosotros vamos a

comprar el combo la empanada con avena

en nuestro descanso si nosotros tenemos

5000 pesos

y gastamos dos mil pesos en la empanada

con avena nos van a quedar $3000

lo que tenemos al final será lo que

teníamos inicialmente los 5.000 pesos

no entró nada entonces más lo que entró

que fue cero pesos menos lo que salió

dos mil pesos entonces finalmente

tendremos tres mil pesos lo mismo ocurre

con la energía no se crean y se destruye

nada simplemente lo que tenemos al final

es lo inicial más lo que entró menos lo

que salió

aquí algo muy importante que vale la

pena mencionar Es que la energía puede

entrar o salir del sistema de tres

maneras diferentes en forma de calor de

trabajo o de flujo mágico por eso era

importante mencionar estas magnitudes

Al iniciar la presentación cuando el

calor se va hacia el sistema cuando hay

ese flujo desde un sistema exterior

desde los alrededores o desde otro

cuerpo hacia el sistema que estamos

analizando

aumenta la energía al sistema porque esa

energía que está fluyendo hacia el

sistema cuando sale disminuye la energía

al sistema cuando el trabajo es hecho

por el sistema disminuye su energía

porque le está perdiendo energía

haciendo ese trabajo y cuando se echó

sobre el sistema aumenta la energía al

sistema por su parte el flujo mágico

cuando entra masa al sistema aumenta la

energía del sistema porque la masa lleva

energía consigo Entonces el flujo mágico

hace que aumente la energía del sistema

cuando entra el sistema y

disminuye y hace que se disminuye la

energía del sistema cuando sale

del sistema lógicamente eso será en

sistemas abiertos que son los que en los

cuales puede entrar o salir más

del sistema

Entonces

ya sabiendo eso podemos decir que la

energía final menos la energía inicial

será igual a la energía que entran en

una energía que sale es decir la energía

final menos la energía inicial será

igual al calor que entra el trabajo que

entra más la energía de la masa que

entra menos el calor que sale el trabajo

que sale y la energía de la masa que

sale

vamos a llamar a ese término energía

final menos energía inicial deltade y

este va a ser igual al Delta de la

energía interna que recordemos es esa

energía

debida la al movimiento molecular de las

partículas que conforman el sistema

Entonces será el cambio de energía será

igual al cambio de esa energía interna

que tiene el sistema más el cambio la

energía cinética más el cambio de la

energía potencial serán lo que conforma

el cambio entre energía inicial y la

energía final en la gran mayoría de los

casos que vemos en ingeniería de las

aplicaciones de los problemas con los

que nos vamos a enfrentar

no tendremos cambios significativos de

velocidad o de altura es decir cambios

significativos en la energía cinética y

potencial por lo tanto ese Delta energía

ese cambio energía final menos energía

inicial será igual al Delta de energía

interna energía interna final menos

energía interna inicial ahora teniendo

eso en mente

vamos a ver qué pasa en un sistema

cerrado en un sistema cerrado como ya lo

mencionamos no puede entrar o salir más

al sistema porque hemos elegido para

analizar una cantidad de masa fija

entonces en la ecuación anterior El

delta de energía energía final menos

energía inicial será igual al calor que

entra más el trabajo que entra menos el

calor que sale menos el trabajo que sale

porque no va a haber energía que entre

salga del sistema por medio de masa de

flujo máximo

podemos agrupar el calor y el trabajo de

esta manera

el energía final menos energía inicial o

Delta de será igual a calor que entra

menos calor que sale menos trabajo que

sale menos trabajo que entra

como ya lo mencionamos el deltade lo

podemos expresar la mayoría de los casos

como Delta de u Delta energía interna

Entonces

tendremos que El delta energía interna

en energía interna final menos energía

interna inicial será igual al calor neto

de entrada que es como vamos a llamar a

ese término calor de entra menos y

salida menos el trabajo neto de salida

que es como vamos a llamar a ese término

dentro del paréntesis que es trabajo que

sale menos trabajo que entra

Generalmente por simplicidad simplemente

vamos a escribir de esta manera

Delta de

energía interna final menos energía

interna inicial será igual a calor menos

trabajo donde eso es muy importante el

calor será positivo si entra el sistema

y será negativo si sale al sistema y el

trabajo será positivo

si es hecho por el sistema y será

negativo si es hecho hacia el sistema

esto debido a los signos que utilizamos

al resolver esta ecuación esta ecuación

en el cuadrito rojo es la que nos

permitirá resolver problemas realizar

análisis de primera ley de la

termodinámica en sistemas cerrados

para finalizar vamos a ver un ejemplo de

esto si tenemos un recipiente rígido que

contiene un fluido caliente que se

enfría mientras es agitado por un

ventilador eso también podría ser un

cuarto que tiene un ventilador cuarto

sellado

y al inicio la energía interna de ese

fluido es 800 kilos Jules pero durante

el proceso de enfriamiento pierde 500

kilos de calor es decir está saliendo

calor del sistema y tiene un valor de

500 kilos está saliendo energía sistema

en forma de calor por su parte la rueda

o ese ventilador realiza

100 kilos de trabajo sobre el fluido nos

piden determinar energía interna final

de nuestro sistema bien entonces aquí

tendremos

un una energía interna inicial de

nuestro sistema ese fluido que está en

ese recipiente rígido de 800 kilos Jules

Un calor de 500 kilos negativo porque va

saliendo del sistema y como dijimos si

el calor sale le vamos a poner signo

negativo y un trabajo también negativo

porque es hecho hacia el sistema de 100

kilos

tenemos Nuestra canción Delta de u que

es energía interna final menos energía

interna inicial es igual a q menos W

calor menos trabajo

lo reemplazamos energía interna final

menos 800 será igual a menos 500 menos

menos 100 de acuerdo a la convención de

signos que habíamos mencionado

si resolvemos esto vamos a tener una

energía interna final de 400 kilos es un

ejemplo bastante sencillo solo por

afianzar un poco lo que hemos visto La

idea es que en una nueva clase vamos a

ver algunos ejemplos un poco más

complejos que nos permitan afianzar más

estos conocimientos también en una

próxima clase hablaremos de la primera

ley de la termodinámica ya en sistemas

abiertos cuando elegimos una región en

el espacio para analizar

esto por esta clase estas fueron las

referencias que utilicé para esta

exposición Muchísimas gracias por su

atención Espero que les sirva mucho

Espero que les haya gustado que sea muy

útil para sus estudios y para su

aplicación en la ingeniería Mi nombre es

Gabriel Fernando García Sánchez si les

gustó por favor denle like por favor

suscríbanse para traer nuevos vídeos y

así continuar aprendiendo juntos sobre

la termodinámica y sobre otros temas muy

importantes hasta luego