4. La Primera Ley
4. LA PRIMERA LEY
La Primera Ley de la Termodinámica es la ley de conservación de la energía aplicada a los sistemas termodinámicos. Hay una analogía entre los sistemas termodinámicos y los sistemas mecánicos conservativos, para los cuales se cumple la ley de conservación de la energía (mecánica). En un sistema mecánico conservativo se distinguen dos tipos de energía:cinética y potencial, que se definen en términos de las velocidades y las posiciones de las partículas que integran el sistema. La energía mecánica es la suma de ambas, y se mantiene constante en ausencia de fuerzas exteriores que realicen trabajo sobre el sistema. Si hay fuerzas externas, el incremento de la energía mecánica es igual al trabajo realizado sobre el sistema por dichas fuerzas. La analogíaconsiste en imaginar que los sistemas termodinámicos reales son sistemas mecánicos conservativos cuyas partes (átomos, moléculas, etc.) son demasiado pequeñas como para ser percibidas. Se supone que si se toman en cuenta los movimientos a escala microscópica, la ley de conservación de la energía sigue valiendo, pero que las energías cinética y potencial asociadas con los movimientos puramentemicroscópicos se manifiestan en la escala macroscópica del experimento como calor. Luego, el calor es una forma de energía, y la energía (total) se conserva. Esta analogía brinda una imagen mental conveniente, y más adelante la aprovecharemos cuando estudiemos la Termodinámica Estadística. Pero en el presente contexto su utilidad es escasa, pues no podemos medir las energías en juego en escalamicroscópica, y no queremos formular ninguna hipótesis acerca de la estructura del sistema. En la Termodinámica clásica no se puede dar una definición de las energías cinética y potencial microscópicas, porque no miramos el detalle de la estructura del sistema. Nuestro punto de vista es que el sistema es una suerte de “caja negra” que no podemos abrir para ver lo que hay en su interior. La analogíamecánica sugiere que la definición de energía para un sistema termodinámico debe estar relacionada con el concepto de trabajo exterior, es decir, trabajo realizado por fuerzas provenientes del ambiente. Veremos que tal definición es en efecto posible. Se encuentra además que al definir el trabajo termodinámico conviene restringir las fuerzas exteriores a fuerzas conservativas, excluyendo fuerzasdisipativas como la fricción. En consecuencia el trabajo termodinámico se define en términos de fuerzas conservativas en el ambiente. Se lo puede visualizar como el ascenso o el descenso de pesas en un campo gravitatorio, aunque puede comprender otras formas de trabajo como la carga o descarga de un condensador sin pérdidas, etc.. La noción de trabajo termodinámico es entonces más restringida que la detrabajo mecánico en general: por definición se mide en el ambiente y no en el sistema, y consiste solamente de trabajo conservativo. A parte esta diferencia, se calcula como el trabajo mecánico ordinario. En esas condiciones nos preguntamos qué clase de experimentos nos pueden permitir definir la energía del sistema o, en última instancia, si es o no posible dar esa definición.
Experimentos deJoule
Los experimentos que demostraron la posibilidad de definir la energía de un sistema termodinámico fueron realizados en 1843 por James Prescott Joule1. En el Capítulo 2 mencionamos dos métodos generales para producir cambios en el estado de un sistema: por medios adiabáticos y
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Una discusión histórica de estos y otros experimentos sobre la equivalencia entre trabajo y calor se puedeencontrar en R. Eisberg y L. Lerner, Física, Fundamentos y Aplicaciones, Vol. II, donde también se reproduce el diagrama original del aparato usado por Joule.
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4. La Primera Ley diatérmicos. Los experimentos de Joule fueron adiabáticos, y se empleó el aparato cuyo esquema se muestra en la Fig. 4.1 para realizar una serie de experimentos en los cuales las pesas descienden lentamente…
