Intercambios generales de energía. Primer principio

Del estudio del calor y sus relaciones con el trabajo y la energía surgió una nueva disciplina de la física, llamada termodinámica. Esta rama científica, desarrollada a partir del siglo XIX, se vinculó pronto a los métodos y procedimientos propios de la mecánica estadística y, con posterioridad, estuvo estrechamente asociada al desarrollo de la física cuántica.

Energía interna

El calor y el trabajo no son magnitudes características de los cuerpos y los sistemas, sino de las interacciones que se producen entre ellos. Para explicar la naturaleza de estas interacciones se ha introducido un concepto denominado energía interna de un sistema físico, que se entiende como la suma de las energías cinética y potencial de todas sus partículas constituyentes. Es decir:

siendo ECI la energía cinética interna, EPI la energía potencial interna y EI la energía mecánica interna total.

En la energía interna total de un sistema se verifica que:

  • La energía cinética interna total es proporcional a la temperatura y a la cantidad de materia que contiene el sistema.
  • La energía potencial interna total depende de las fuerzas internas del sistema físico en cuestión, y puede adoptar la forma de energía química, elástica, gravitatoria u otras.

Las moléculas de una nebulosa se mantienen unidas entre sí merced a los efectos de la acción gravitatoria y de la energía potencial que se le asocia.

Conservación de la energía

En un sistema aislado, la energía interna total siempre se conserva. Esta ley fundamental de la naturaleza, que se conoce como principio de conservación de la energía, supone que las energías cinética y potencial totales de un sistema aislado pueden cambiar siempre y cuando la suma de ambas permanezca constante.

Primer principio de la termodinámica

La ley de conservación de la energía interna puede enunciarse también diciendo que, en un cierto proceso, la variación de la energía interna de un sistema equivale al calor intercambiado con el ambiente y al trabajo realizado por las fuerzas de interacción entre sistema y ambiente.

Conocido como primer principio de la termodinámica, este enunciado se expresa matemáticamente de la forma siguiente:

siendo DEI la variación de la energía interna del sistema, Q el calor intercambiado y W el trabajo realizado.

Debido a la convención de signos comúnmente aceptada, la energía calorífica Q absorbida por un sistema se invierte en incrementar la energía interna y en realizar un trabajo, de manera que el primer principio de la termodinámica se escribiría preferiblemente como:

Equivalencia entre calor y trabajo

Un ejemplo ilustrativo de la equivalencia entre calor y trabajo como efecto del primer principio de la termodinámica es un sistema compuesto por un gas encerrado en un cilindro con un émbolo móvil.

Cuando se expande el gas, se efectúa un trabajo tendente a contrarrestar la presión atmosférica externa.

Al expandirse el gas, se realiza un trabajo final igual a:

siendo DW el trabajo realizado, F la fuerza que se ejerce, Dx el desplazamiento del émbolo, P la presión del gas y DV el incremento de su volumen.

Si se extiende esta noción a los gases ideales en condiciones de temperatura constante, se cumple que:

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