Termodinámica: Introducción al Primer Principio

Introducción al Primer Principio de la Termodinámica

• La energía es un concepto fundamental en la termodinámica y se presenta en diversas formas macroscópicas.
• La energía se puede transformar de una forma a otra y transferirse entre sistemas.
• El Principio de Conservación de la Energía explica que la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma.

Energías Mecánicas: Cinética y Potencial

• La energía cinética es la energía asociada con el movimiento macroscópico de un cuerpo.
• La energía cinética se mesure en Julios (J) y su variación se calcula mediante la fórmula: ∆𝐸𝑐 = 𝑚 𝑐00 − 𝑐20.
• La energía potencial es la energía asociada con la posición de un cuerpo en un campo gravitatorio.
• La energía potencial también se mesure en Julios (J) y su variación se calcula mediante la fórmula: ∆𝐸𝑝 = 𝑚𝑔 𝑧0 − 𝑧2.

Trabajo Termodinámico

• El trabajo termodinámico se define como la energía transferida entre un sistema y su entorno.
• La expresión matemática para el trabajo termodinámico es: 𝑊 = ∫ 𝑭 𝑑𝒔.
• El trabajo puede ser positivo (hecho por el sistema) o negativo (hecho sobre el sistema).
• El trabajo de flujo es el trabajo necesario para introducir o sacar masa de un sistema abierto.

Calor y Transferencia de Energía

• El calor es una forma de transferencia de energía entre un sistema y su entorno.
• El calor se mesure en Julios (J) y se puede transferir en forma de conducción, convección o radiación.
• La velocidad de transferencia de calor se calcula mediante la fórmula: 𝑄 = 𝑘𝐴 (𝑇2 − 𝑇0) / ∆𝑥.

Energía Interna y Entalpía

• La energía interna es la energía asociada con los movimientos y configuraciones de las moléculas individuales de un sistema.
• La energía interna se representa con la letra U y se mesure en Julios por kilogramo (J/kg).
• La entalpía es la energía almacenada en forma de calor y se calcula mediante la fórmula: 𝐻 = 𝑈 + 𝑃𝑉.
• La entalpía se medidas en Julios por kilogramo (J/kg).

Primer Principio de la Termodinámica

• El Primer Principio de la Termodinámica establece que la energía se conserva en un sistema cerrado.
• La variación de la energía del sistema se calcula mediante la fórmula: ∆𝐸 = 𝐸0 − 𝐸2 = 𝑄 − 𝑊.
• El principio de conservación de la energía es válido para cualquier tipo de proceso y sistema cerrado.### Principio de Conservación de Energía
• El principio de conservación de energía establece que la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma de una forma a otra.
• La variación de energía en un sistema cerrado es igual a la transferencia neta de energía a través de su frontera: ∆𝐸 = 𝑄 − 𝑊

Formas del Balance de Energía

• El balance de energía se puede expresar de diferentes formas:
  • ∆𝐸 = 𝑄 − 𝑊 (forma integral)
  • 𝑑𝐸 = 𝛿𝑄 − 𝛿𝑊 (forma diferencial)
  • ∆𝐸/∆𝑡 = 𝑄/∆𝑡 − 𝑊/∆𝑡 (forma de potencia)

Análisis Energético en Procesos Cíclicos

• Un ciclo termodinámico es una secuencia de procesos en los que un sistema vuelve a su estado inicial.
• El balance de energía para un ciclo termodinámico es: ∆𝐸 = 𝑄 − 𝑊
• Como el sistema vuelve a su estado inicial, no hay cambio neto de energía (∆𝐸 = 0), por lo que 𝑄 = 𝑊

Aplicación del 1º Principio a Sistemas Cerrados de Gases Ideales

• Un gas ideal se comporta según la ley: 𝑝𝑣 = 𝑅𝑇
• La energía interna específica y la entalpía específica de un gas ideal dependen solo de la temperatura: 𝑢 = 𝑢(𝑇), ℎ = ℎ(𝑇)
• La capacidad calorífica específica de un gas ideal es la cantidad de calor necesaria para aumentar la temperatura de un grado: 𝑐 = 𝑑𝑞/𝑑𝑇

Calores Específicos

• Los calores específicos son propiedades termodinámicas de un gas ideal.
• Existen dos tipos de calores específicos:
  • Calor específico a volumen constante (𝑐𝑣)
  • Calor específico a presión constante (𝑐𝑝)

Procesos Politrópicos

• Un proceso politrópico es un proceso termodinámico que obedece la relación: 𝑃𝑉 @ = 𝑐𝑡𝑒
• Existen varios tipos de procesos politrópicos, como:
  • Isóbaro (𝑛 = ∞)
  • Isócoro (𝑛 = 0)
  • Isotermo (𝑛 = 1)
  • Adiabático (𝑛 = 𝛾 = 𝐶𝑝/𝐶𝑣)