1. Energía, Trabajo y Calor

La energía es la capacidad que tiene un cuerpo o un sistema para producir trabajo o transferir calor.

Principio de Conservación de la Energía

La energía ni se crea ni se destruye, solo se transforma.

Tipos de Energía

• Energía cinética: Es la debida al movimiento global del sistema.
• Energía potencial mecánica: La posee un sistema en presencia de campos de fuerza mecánica: gravitatoria, elástica, etc.
• Energía térmica: Se debe al movimiento aleatorio interno dentro de cada sustancia de sus partículas constituyentes.
• Energía electromagnética: Debida a la acción o presencia de los campos de fuerza eléctrica y fuerza magnética. Dentro de este tipo debe incluirse la energía luminosa como caso especial.
• Energía nuclear: Es la energía acumulada en los núcleos atómicos a causa de las interacciones.
• Energía química: Es la energía debida a las uniones entre los átomos, iones y moléculas que forman cada sustancia.

Mecanismos de Transferencia de Energía

Existen dos mecanismos completamente diferentes para que dos sistemas intercambien energía: trabajo y calor. El trabajo y el calor no son tipos de energía, sino formas de transferencias de energía fluyendo de un sistema a otro, es decir, son energías en tránsito.

Trabajo: Es un mecanismo de transferencia de energía entre cuerpos basado en el empleo de una fuerza.

Trabajo de expansión-comprensión: En termodinámica es muy importante el trabajo de expansión-compresión asociado a los cambios de volumen.

Calor. Efectos del calor: El calor es la energía térmica que se transfiere de forma natural o espontánea entre dos cuerpos que se encuentran a diferente temperatura.

2. Fundamentos de la Termodinámica

La termodinámica estudia la relación entre la energía y dos mecanismos que permiten intercambiarla con su entorno.

Sistemas Termodinámicos

La termodinámica elige en cada caso una parte del universo sobre la que centra su estudio. Esta parte se denomina sistema; al resto del universo lo denominamos entorno.

• Paredes adiabáticas: No permiten el paso del calor (aislantes térmicos). No hay intercambio entre el sistema y su entorno.
• Paredes conductoras: Son conductoras del calor. Permiten que al cabo del tiempo la temperatura se iguale a ambos lados de la pared.
• Paredes rígidas: Mantienen constante el volumen del sistema. Impiden el trabajo de expansión-compresión (olla exprés).

Clasificación de los Sistemas

• Sistemas abiertos: Son aquellos que pueden intercambiar tanto materia como energía (en forma de trabajo y calor).
• Sistemas cerrados: Se caracterizan porque pueden intercambiar energía con su entorno, pero no materia.
• Sistemas aislados: Son aquellos que no pueden intercambiar ni materia ni energía con su entorno. En este caso la cantidad total de energía permanece constante.

Variables Termodinámicas

• Variables intensivas: Son aquellas cuyo valor no depende del tamaño del sistema que estemos considerando. Ejemplos: la temperatura, la densidad o la concentración.
• Variables extensivas: Son aquellas cuyo valor sí depende del tamaño del sistema.

Función de estado: Cuando su valor depende solo de los estados inicial y final del sistema y no del camino que haya seguido entre ambos.

3. Primer Principio de la Termodinámica

Enunciado y Expresión del Primer Principio

La energía interna puede cambiar si intercambia calor o trabajo con su entorno. El primer principio de la termodinámica establece que todo sistema posee una propiedad termodinámica, denominada energía interna, que toma un valor característico para cada estado y que aumenta cuando el sistema absorbe calor o soporta un trabajo. No se puede conocer el valor absoluto de la energía interna de un sistema, solo sus variaciones. Existe el criterio de que lo que entra en el sistema sea positivo, porque aumenta la energía interna, y lo que sale sea negativo porque la reduce.

Calor a Volumen Constante y a Presión Constante

Procesos a volumen constante: Si no cambia el volumen del sistema, el proceso es isocoro. Por tanto, la expresión del primer principio es: ΔU = q – pΔV. La variación de energía interna en un proceso isocoro o a volumen constante es igual al calor intercambiado por el sistema. Este calor a volumen constante, q_v, sí es función de estado.

Procesos a presión constante: La mayoría de las reacciones químicas se llevan a cabo en condiciones isobaras o a presión constante, normalmente la presión atmosférica. Por eso, conviene sustituir la energía interna por otra magnitud termodinámica denominada entalpía, que se define como: H = U + pV.