Primera Ley de la Termodinámica

La primera ley de la termodinámica, es la aplicación del principio de conservación de la energía, a los procesos de calor y termodinámico:

La primera ley hace uso de los conceptos claves de energía interna, calor, y trabajo sobre un sistema. Usa extensamente el estudio de los motores térmicos. La unidad estándar de todas estas cantidades es el julio, aunque algunas veces se expresan en calorías o BTU.

En los textos de Química es típico escribir la primera ley como ΔU=Q+W. Por supuesto que es la misma ley, -la expresión termodinámica del principio de conservación de la energía-. Exactamente se define W, como el trabajo realizado sobre el sistema, en vez de trabajo realizado por el sistema. En un contexto físico, el escenario común es el de añadir calor a un volumen de gas, y usar la expansión de ese gas para realizar trabajo, como en el caso del empuje de un pistón, en un motor de combustión interna. En el contexto de procesos y reacciones químicas, suelen ser mas comunes, encontrarse con situaciones donde el trabajo se realiza sobre el sistema, mas que el realizado por el sistema.

Entalpía

En la termodinámica de reacciones químicas y en los procesos no cíclicos son útiles cuatro cantidades llamadas "potenciales termodinámicos". Estos son la energía interna, la entalpía, la energía libre de Helmholtz y la energía libre de Gibbs. La entalpía se define por

H = U + PV

donde P y V son la presión y el volúmen, y U es la energía interna. La entalpía es por tanto una variable de estado medible de forma precisa, puesto que se define en función de las otras tres variables de estado medibles de forma precisa. Es algo paralelo a la primera ley de la termodinámica en un sistema a presión constante

Q = ΔU + PΔV puesto que en este caso Q=ΔH

Se trata de una cantidad útil en el seguimiento de las reacciones químicas. Si como resultado de una reacción exotérmica se libera un poco de energía de un sistema, tiene que aparecer de alguna forma medible en función de las variables de estado. Un incremento de la entalpía H = U + PV se debería asociar con un incremento en la energía interna que podría medirse por la calorimetría, o por el trabajo realizado por el sistema, o por una combinación de los dos.

La energía interna U podría considerarse como, la energía necesaria para crear un sistema en ausencia de cambios en la temperatura o el volumen. Pero si el proceso cambia el volumen, como en las reacciones químicas que producen productos gaseosos, entonces se debe realizar trabajo para producir cambio en el volumen. En un proceso a presión constante, el trabajo que debemos realizar para producir un cambio de volumen ΔV es PΔV. Por tanto el término PV se puede interpretar como el trabajo que se debe hacer para "crear espacio" para el sistema, si se presume que empezó con un volumen cero.

Trabajo del Sistema

Normalmente es un gas el que realiza el trabajo en un sistema termodinámico. El trabajo realizado por un gas a presión constante es:

Si la presión no es constante, el trabajo se visualiza como el área bajo la curva de presión-volumen, que representa el proceso que está teniendo lugar. La expresión mas general para el trabajo realizado es:

El trabajo realizado por un sistema disminuye la energía interna del sistema, como se indica en la primera ley de la termodinámica. El trabajo del sistema es un aspecto importante en el estudio de los motores térmicos.

Segunda Ley de la Termodinámica

La máxima eficiencia que se puede conseguir es la eficiencia de Carnot.

Segunda Ley: Motores Térmicos

Segunda ley de termodinámica: es imposible extraer una cantidad de calor Q_H de un foco caliente, y usarla toda ella para producir trabajo. Alguna cantidad de calor Q_C debe ser expulsada a un foco frío. Esto se opone a un motor térmico perfecto.

A veces se denomina la "primera forma" de la segunda ley, y es conocida como el enunciado de la segunda ley de Kelvin-Planck.

Segunda Ley: El Regrigerador

Segunda ley de la termodinámica: No es posible que el calor fluya desde un cuerpo frío hacia un cuerpo mas caliente, sin necesidad de producir ningún trabajo que genere este flujo. La energía no fluye espontáneamente desde un objeto a baja temperatura, hacia otro objeto a mas alta temperatura. Esto se opone al perfecto refrigerador. Las declaraciones sobre los refrigeradores, se aplican a los acondicionadores de aire y a las bombas de calor, que encarnan los mismos principios.

Esta es la "segunda forma", o la declaración de Clausius de la segunda ley.

Segunda Ley: Entropía

Segunda ley de la termodinámica: en cualquier proceso cíclico, la entropía aumentará, o permanecerá igual.

Puesto que la entropía da información sobre la evolución en el tiempo de un sistema aislado, se dice que nos da la dirección de la "flecha del tiempo". Si las instantáneas de un sistema en dos momentos diferentes, muestran uno que está más desordenado, entonces se puede deducir que este estado se produjo mas tarde en el tiempo que el otro. En un sistema aislado, el curso natural de los acontecimientos, lleva al sistema a un mayor desorden (entropía más alta) de su estado.