El origen de las leyes de la termodinámica

Resumen: Nicolas Léonard Sadi Carnot Nicolas Léonard Sadi Carnot Nicolas Léonard Sadi Carnot (francés: /nikɔla leɔnaʁ sadi kaʁno/, París, 1 de junio de 1796 – 24 de agosto de 1832),​ normalmente llamado Sadi Carnot, fue un físico e ingeniero francés pionero en el estudio de la termodinámica . Se le reconoce hoy como el fundador o padre de la Termodinámica. https://es.wikipedia.org › wiki › Nicolas_Léonard_Sadi_Carnot Nicolas Léonard Sadi Carnot – Wikipedia, la enciclopedia libre fue un ingeniero francés, considerado como el Padre de la Termodinámica.

Origen de la primera ley de la termodinámica

La primera ley de la termodinámica fue planteada, en el siglo XIX, por Rudolf Clausius y William Thomson. Establece que el c ambio total en la energía interna \(\Delta U\) de un sistema cerrado es igual a la transferencia total de calor suministrada al sistema \(Q\) menos el trabajo total realizado por el sistema \(W\).

Fig. 1: Rudolf Immanuel Clausius es reconocido como uno de los pioneros en el campo de la termodinámica. Junto con Lord Kelvin, fue responsable de establecer los fundamentos de esta disciplina científica.

La formulación original de la primera ley de la termodinámica, propuesta por Clausius, fue la siguiente:

En todos los procesos en los que se genera trabajo a partir del calor, se requiere una cantidad de calor proporcional al trabajo realizado. Del mismo modo, al emplear una cantidad equivalente de trabajo, se produce una cantidad igual de calor.

¿Cuál es el de la primera ley de la termodinámica?

La creación de las leyes de la termodinámica es atribuida a varios científicos destacados en el campo. Uno de ellos es Rudolf Clausius, un físico alemán del siglo XIX. Clausius formuló la segunda ley de la termodinámica, que establece que el calor no puede fluir espontáneamente desde un objeto frío a uno caliente sin realizar trabajo externo.

Otro científico clave en el desarrollo de las leyes fue Lord Kelvin (William Thomson), también del siglo XIX. Kelvin contribuyó al establecimiento de la primera y segunda ley, así como al concepto fundamental de temperatura absoluta.

Además, otros científicos notables como Sadi Carnot y James Joule hicieron importantes contribuciones al estudio y comprensión de los principios fundamentales que rigen los procesos termodinámicos.

La creación de las leyes de la termodinámica fue el resultado del trabajo conjunto de varios científicos a lo largo de la historia. Estas leyes son fundamentales para comprender los procesos que involucran calor y energía en los sistemas físicos.

En particular, la primera ley de la termodinámica establece que la energía se conserva en los procesos termodinámicos. Esto significa que el calor es una forma de energía necesaria para equilibrar los cambios en la energía interna de un sistema, ya sea debido al trabajo realizado sobre él o por él mismo.

Esta ley fue desarrollada por diferentes científicos a lo largo del tiempo, como Julius Robert Mayer y James Joule, quienes realizaron experimentos cruciales para establecer esta relación entre calor y energía. Gracias a sus contribuciones, hoy podemos entender cómo se intercambia y transforma la energía en diversos sistemas físicos.

Es importante destacar que estas leyes no solo fueron creadas por individuos específicos, sino también fueron refinadas y mejoradas con el tiempo gracias al trabajo colectivo e investigaciones posteriores. De esta manera, las leyes de la termodinámica continúan siendo una base fundamental para nuestra comprensión del mundo natural y su funcionamiento.

La ley de conservación de la energía nos indica que la cantidad total de energía en un sistema se mantiene constante, siendo igual a la diferencia entre la energía que entra y sale del mismo.

Si utilizamos este principio en el campo de la termodinámica, llegamos a la siguiente fórmula.

Donde:

  • \(U\) es la energía interna.
  • \(Q\) es la cantidad de calor aportado al sistema.
  • \(W\) es el trabajo realizado por el sistema.

Es posible encontrar la misma ecuación con un signo positivo antes del término de trabajo. En este caso, se interpreta que el trabajo es considerado positivo cuando se realiza sobre el sistema.

Origen de la ley fundamental de la termodinámica

Para comprender de manera más clara la primera ley de la termodinámica, es necesario tener presente cada uno de los componentes que la conforman.

Energía interna

La energía interna de un sistema a pequeña escala se puede entender como la suma de las energías cinética y potencial que poseen los átomos y moléculas que lo componen.

Sin embargo, es más conveniente definir la energía interna a una escala más amplia utilizando las magnitudes macroscópicas de un sistema, como la presión, la temperatura y el volumen. Estas variables nos permiten estudiar el comportamiento del sistema de manera más precisa.

La energía interna puede ser positiva cuando se le añade calor al sistema o cuando se realiza trabajo sobre él. Por otro lado, la energía interna puede ser negativa si se retira calor del sistema o si el sistema realiza trabajo sobre su entorno.

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Es importante tener en cuenta que estas definiciones son fundamentales para comprender cómo funciona la termodinámica y cómo interactúan los diferentes sistemas con su entorno.

Calor

El calor (\(Q\)), medido en julios (\(\mathrm \)), es la energía que se transfiere por el movimiento molecular y las colisiones debido a una diferencia de temperatura.

Cuando se toma en cuenta el sistema, el calor que ingresa puede ser considerado como positivo, mientras que el calor que sale del sistema es negativo.

Trabajo

El trabajo (\(W\)) de un sistema, medido en julios (\(\mathrm \)), es la energía que se transfiere de un sistema a otro o a su entorno. Es una forma general de trabajo mecánico.

  • Cuando el trabajo es realizado por el sistema de referencia, se define como negativo , ya que la energía se pierde del sistema de referencia y es consumida por un sistema externo o por el entorno.
  • Cuando el trabajo se realiza sobre el sistema de referencia, el trabajo se define como positivo , puesto que se añade energía al sistema de referencia y se pierde de un sistema externo o del entorno.

En el siguiente cuadro, observaremos algunos ejemplos de trabajo realizado, tanto positivo como negativo, dependiendo del sistema de referencia seleccionado.

En el estudio de la termodinámica, es importante comprender quién crea las leyes que rigen este campo científico. Las leyes de la termodinámica fueron establecidas por varios científicos a lo largo del tiempo.

Uno de los principales contribuyentes en la formulación de estas leyes fue Sadi Carnot, un ingeniero francés del siglo XIX. Carnot desarrolló el concepto de ciclo termodinámico y demostró cómo se puede obtener trabajo a partir del intercambio de calor entre dos cuerpos a diferentes temperaturas.

Otro científico destacado en este campo es Rudolf Clausius, un físico alemán conocido por formular el segundo principio de la termodinámica. Este principio establece que el calor no puede fluir espontáneamente desde una región fría hacia una región caliente, sino solo en sentido contrario.

Además, Lord Kelvin (William Thomson), un físico británico, hizo importantes contribuciones al desarrollo de las leyes termodinámicas. Kelvin propuso una escala absoluta de temperatura y también formuló el primer principio de la termodinámica, que establece que la energía total dentro de un sistema cerrado se conserva.

Estos son solo algunos ejemplos destacados entre los muchos científicos que han contribuido al desarrollo y creación de las leyes fundamentales que rigen la termodinámica. Su trabajo ha sentado las bases para nuestro entendimiento actual sobre cómo funciona esta ciencia y su aplicación en diversas áreas como máquinas térmicas o refrigeradores.

Origen de la Primera Ley de la Termodinámica: Formulación diferencial

La forma diferencial de la primera ley de la termodinámica puede verse a continuación.

La ecuación en forma diferencial se emplea para explicar de manera más detallada la velocidad de cambio del calor y el trabajo, así como también la velocidad de cambio de la energía interna de un sistema.

En el caso del trabajo realizado en un sistema hidrostático, es decir, un sistema que contiene fluidos, la ecuación diferencial puede simplificarse. Por lo tanto, la primera ley de la termodinámica también se puede expresar de manera diferente cuando hay cambios en el volumen de un fluido.

Donde:

  • \(p\) es la presión
  • \(V\) es el volumen del sistema.

El signo negativo indica que los cambios de volumen son siempre opuestos al signo de los cambios de trabajo. Por ejemplo, si el trabajo es positivo, \(\partial V\) sería negativo, y viceversa.

Aplicaciones de la primera ley de la termodinámica: su importancia en Chile

El motor térmico es una de las aplicaciones más frecuentes de la primera ley de la termodinámica. Se utiliza en diversos medios de transporte como trenes y vehículos, entre otros. Además, encontramos su uso en los motores aéreos, sistemas de refrigeración y bombas de calor.

¿ Cuánto trabajo realiza un gas que se comprime de \(35\,\,\mathrm \) a \(15\,\, \mathrm \) bajo una presión externa constante de \(3 \,\, \mathrm \)?

Como el gas se comprime, el trabajo es positivo y \(\partial V\) es negativo:

Como tenemos que convertirlo a julios, multiplicamos por la constante de los gases \(8,31447\,\,\mathrm \) y dividimos por la constante de los gases \(0,08206\, \, \mathrm \).

¿Quién fue el creador de la ley de la termodinámica?

Uno de los científicos más destacados en el campo de la termodinámica fue Sadi Carnot, conocido como el “padre de la termodinámica”. En 1824, publicó un discurso titulado Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego, donde abordaba temas relacionados con el calor, el poder y la eficiencia de los motores. Este trabajo se considera fundamental para el inicio de la termodinámica como ciencia moderna.

La contribución principal de Sadi Carnot consistió en analizar cómo se puede obtener energía a partir del calor. Su investigación demostró que existe una relación directa entre ambos elementos y que es posible aprovechar esa relación para generar trabajo útil. Esto sentó las bases para comprender mejor los procesos térmicos y su aplicación práctica en distintos campos.

Un ejemplo práctico que ilustra esta idea es el motor a vapor inventado por James Watt. Utilizando los principios establecidos por Carnot, Watt logró diseñar un sistema eficiente capaz de convertir el calor generado por la combustión del carbón en movimiento mecánico. Esta invención revolucionó la industria al permitir utilizar máquinas impulsadas por vapor para realizar tareas antes realizadas manualmente.

Origen de la primera ley de la termodinámica en sistemas abiertos, cerrados y aislados

En la termodinámica, podemos identificar tres tipos de sistemas.

Existen diferentes tipos de sistemas en la termodinámica. Los sistemas abiertos son aquellos que intercambian tanto energía como materia con su entorno. Por ejemplo, cuando hervimos agua en una cacerola, la energía y el vapor se transfieren hacia la atmósfera circundante.

Por otro lado, los sistemas cerrados solo intercambian energía con su entorno. Un ejemplo sería una taza de café caliente con la tapa puesta, donde la energía del café se transfiere al ambiente en forma de vapor.

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Finalmente, los sistemas aislados son un caso especial de los sistemas cerrados ya que no transfieren ni energía ni materia a otros sistemas o al entorno. Podemos pensar en un depósito de nitrógeno completamente sellado y aislado como ejemplo de esto.

Estas clasificaciones nos ayudan a entender cómo interactúan los distintos elementos dentro del estudio de las leyes termodinámicas.

¿De dónde provienen las leyes de la termodinámica?

En el siglo XIX, dos científicos llamados Rudolf Clausius y William Thomson fueron los responsables de formular la primera ley de la termodinámica. Esta ley nos habla sobre cómo cambia la energía interna de un sistema cerrado.

Según esta ley, si tenemos un sistema cerrado (es decir, que no intercambia materia con su entorno), podemos calcular el cambio total en su energía interna. Este cambio se obtiene al restarle al calor total suministrado al sistema el trabajo total realizado por él.

El calor es una forma de transferencia de energía térmica entre objetos a diferentes temperaturas. Si le agregamos calor a un sistema cerrado, su energía interna aumentará. Por otro lado, si el sistema realiza trabajo (como mover algo o generar electricidad), disminuirá su energía interna.

La aplicación de la primera ley de la termodinámica en los gases

Los gases reaccionan ante modificaciones en magnitudes macroscópicas como el tamaño, la temperatura y la concentración.

Un ejemplo de esto es cuando la temperatura sube, los gases tienden a expandirse debido al incremento en la energía cinética de las moléculas del gas. Por otro lado, cuando la temperatura baja, los gases tienden a comprimirse.

Si mantenemos una presión constante, podemos utilizar la siguiente fórmula:

Donde

  • \(p\) es la presión
  • \(\Delta V\) es el cambio de volumen.

El símbolo negativo indica que el trabajo se realiza en relación al sistema.

Desde una perspectiva termodinámica, se aplica lo siguiente:

  • Cuando un gas se expande, la energía se transfiere a los alrededores del sistema. El gas realiza un trabajo sobre el entorno.
    • Aquí el trabajo es negativo (\(-W\)) con respecto al sistema (gas), ya que se libera energía del sistema.
  • Cuando un gas se comprime, la energía se transfiere del entorno al gas.
    • El trabajo es ejecutado por el entorno sobre el gas. Por lo tanto, el trabajo es positivo (\(+ W\)) con respecto al sistema (gas).
  • Si el t rabajo efectuado se considera con respecto a los alrededores , entonces el signo de la ecuación se vuelve positivo.
    • El trabajo efectuado se vuelve positivo cuando el gas se expande, mientras que el trabajo hecho es negativo cuando el gas se comprime.

¿Quién formuló la primera ley de la termodinámica?

El primer principio de la termodinámica, que es una ley fundamental en el estudio de la energía y sus transformaciones, fue propuesto por Nicolas Léonard Sadi Carnot en 1824. En su obra llamada “Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego y sobre las máquinas adecuadas para desarrollar esta potencia”, Carnot expuso los dos primeros principios de la termodinámica.

En este libro, Carnot analizó cómo se puede obtener trabajo a partir del calor producido por el fuego. Observó que existe una relación entre el calor suministrado a un sistema y el trabajo realizado por ese sistema. A partir de estas observaciones, formuló lo que ahora conocemos como el primer principio de la termodinámica: la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma.

La Primera Ley de la Termodinámica: Aspectos fundamentales

  • La termodinámica es el estudio de la energía, el calor y la temperatura de la materia.
  • La primera ley de la termodinámica se derivó del teorema de la conservación de la energía.
  • La primera ley de la termodinámica establece que los cambios en la energía interna son iguales al trabajo efectuado restado por la adición de calor.
  • Podemos expresar la primera ley de la termodinámica de la siguiente manera: \(\Delta U=Q+W\).
  • La fórmula de la primera ley de la termodinámica también puede expresarse en forma diferencial.
  • La aplicación más común de la primera ley de la termodinámica es el motor térmico.

La relevancia de las leyes de la termodinámica

Es fundamental comprender que las leyes de la termodinámica son esenciales para comprender el mundo de la física. El objetivo principal de estas leyes es describir cómo se comportan la entropía, la energía y la temperatura en los sistemas termodinámicos.

1. Entropía: La entropía es una medida del desorden o caos en un sistema. Según la segunda ley de la termodinámica, siempre tiende a aumentar en un sistema cerrado.

2. Energía: La energía puede transformarse o transferirse entre diferentes formas (como térmica, mecánica o química) según lo establecido por la primera ley de la termodinámica, que afirma que la energía total en un sistema se conserva.

3. Temperatura: La temperatura indica el nivel promedio de energía cinética molecular en un objeto o sustancia. Según lo establecido por cero absoluto (tercer principio), no es posible alcanzar una temperatura inferior a -273 grados Celsius.

Estas leyes proporcionan los principios fundamentales necesarios para estudiar y comprender fenómenos como cambios de estado, transferencia de calor y rendimiento máximo en máquinas térmicas.

Preguntas comunes sobre la Primera Ley de la Termodinámica

Las leyes de la termodinámica son un conjunto de principios que explican cómo se comporta la temperatura, la energía y la entropía en los sistemas termodinámicos. Estas leyes fueron desarrolladas por científicos destacados en el campo de la física y han sido fundamentales para comprender el funcionamiento del mundo natural.

Las leyes de la termodinámica fueron establecidas por científicos que dedicaron su tiempo y esfuerzo a comprender cómo funciona el calor y la energía en los sistemas. La primera ley nos dice que el calor es una forma de energía que se intercambia para equilibrar los cambios en la energía interna de un sistema, ya sea debido al trabajo realizado sobre él o por él. Por otro lado, la ley cero nos enseña que cuando dos objetos con diferentes temperaturas entran en contacto, ambos intercambian calor hasta alcanzar una temperatura igualada. Y finalmente, tenemos la segunda ley, que afirma que la cantidad de entropía del universo aumenta con el tiempo. Estas leyes son fundamentales para entender cómo funcionan los procesos térmicos y son aplicables a diversas situaciones tanto en nuestra vida cotidiana como en ámbitos más complejos como la física y química.

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La primera ley de la termodinámica nos permite analizar cómo se relaciona la energía interna de un sistema con la energía que intercambia con su entorno.

De esta forma, las leyes de la termodinámica son aplicadas en diversas situaciones cotidianas. Por ejemplo, se utilizan en los motores térmicos, en las reacciones químicas y en la interacción entre partículas.

La creación de la primera ley de la termodinámica se atribuye a Rudolf Clausius y William Thomson en el siglo XIX.

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Aplicaciones de la termodinámica

La termodinámica es una rama de la física que estudia las leyes y principios relacionados con el calor, la energía y su transferencia. Estas leyes son fundamentales para entender cómo funcionan diversos procesos en nuestra vida cotidiana, como por ejemplo, el funcionamiento de los motores de los autos o el proceso de hervir agua en una tetera.

En primer lugar, debemos mencionar la primera ley de la termodinámica, también conocida como principio de conservación de la energía. Esta ley establece que la energía no puede ser creada ni destruida, solo se transforma. En otras palabras, durante un proceso termodinámico, como la combustión en un motor o al hervir agua en una tetera, existe una transferencia y transformación constante entre diferentes formas de energía.

Por otro lado, tenemos la segunda ley de la termodinámica. Esta ley nos dice que existe una dirección preferencial para los procesos naturales: siempre tienden a ir hacia un estado más desordenado o menos organizado. Esto se conoce como aumento entrópico del sistema. Por ejemplo, cuando calentamos agua en una tetera hasta llegar al punto donde hierve y se convierte en vapor (un estado más desordenado), estamos siguiendo esta segunda ley.

Además, es importante destacar el concepto clave dentro del estudio termodinámico: el calor fluye desde un cuerpo con mayor temperatura hacia uno con menor temperatura. Esto significa que cuando encendemos nuestro auto y ocurren reacciones químicas dentro del motor durante su etapa de combustión (generando calor), este calor se transfiere hacia otros componentes del vehículo o incluso al ambiente circundante, siempre buscando equilibrar las temperaturas.

Las palabras de Carnot

1. Primer principio de la termodinámica: También conocido como el principio de conservación de la energía, establece que la energía total en un sistema cerrado se mantiene constante. La energía puede transformarse entre diferentes formas (como calor y trabajo), pero su cantidad total permanece invariable.

3. Ley cero de la termodinámica: Esta ley establece que si dos sistemas están en equilibrio térmico con un tercer sistema, entonces también están en equilibrio térmico entre sí.

4. Tercer principio de la termodinámica: Este principio postula que es imposible alcanzar el cero absoluto (-273.15°C) mediante cualquier número finito de procesos físicos.

5. Leyes del ciclo Carnot: Estas leyes describen las limitaciones teóricas sobre cómo funcionan las máquinas térmicas más eficientes posibles y proporcionan una base para el desarrollo de la termodinámica.

6. Ley de Boyle-Mariotte: Esta ley establece que, a temperatura constante, el volumen ocupado por una cantidad fija de gas es inversamente proporcional a su presión.

7. Ley de Charles-Gay-Lussac: Esta ley indica que, a presión constante, el volumen ocupado por una cantidad fija de gas es directamente proporcional a su temperatura absoluta.

8. Ley del calor específico: Esta ley establece que la cantidad de calor requerida para elevar la temperatura unitaria de un material en particular es proporcional al producto entre su masa y su capacidad calorífica específica.

9. Principio del equilibrio térmico: Este principio postula que cuando dos sistemas están en contacto térmico y no hay transferencia neta de energía entre ellos, se dice que están en equilibrio térmico y tienen la misma temperatura.

10. Principio del aumento entrópico: Este principio afirma que cualquier proceso espontáneo aumenta o mantiene constante la entropía total del sistema y sus alrededores.