Física/Termodinámica/Primeira lei/Conservación de enerxía
As observacións experimentais sobre a enerxía foron resumidas en tres leis ou principios, cuxa aplicación permite definir o estado de equilibro e explicar a tendencia de evolución espontánea cara a ese estado.
A enerxía é a capacidade de executar un traballo ou de producir calor. Así, un sistema que posúe unha enerxía elevada pode executar unha gran cantidade de traballo sobre o seu redor ou darlle unha gran cantidade de calor. O traballo é a enerxía gastada durante o movemento dunha forza. Por exemplo, mover un obxecto nun campo de gravidade necesita enerxía.
- A calor é a enerxía que verten os obxectos quentes nos obxectos fríos. Por exemplo, unha bebida á temperatura ambiente e, despois, deixada nunha xeladeira arrefríase dando calor ao seu ambiente, co que a enerxía da bebida diminúe.
Para caracterizar mudanzas e cambios de enerxía, hai estas definicións:
- o sistema: é o obxecto do estudo (medio de reacción, unha cantidade dun corpo puro, un ser vivo, etc.)
- o seu medio externo; é o resto do universo (que poderá limitarse ao medio ambiente próximo)
- a fronteira entre o sistema e o medio externo: as súas propiedades irán determinar cales son os cambios que poden darse entre o sistema e o medio externo:
- sistema pechado: a fronteira non permite troco de materia
- sistema aberto: É posible o troco de materia entre o sistema e o medio externo. Por exemplo, un ser vivo (sistema) que se alimenta no seu medio externo.
- sistema illado: Non se dá ningún troco de materia ou enerxía entre sistema e medio externo. É a bomba calorimétrica.
- Prosesos adiabáticos: Non se dá ningún troco de calor entre sistema e medio externo. Un proceso ou transformación calquera é
- isotermo cando se conduce á temperatura ambiente,
- isóbaro cando se conduce á presión constante e
- isocoro cando se conduce a volume constante.
Dise que un proceso é reversíbel cando o sistema está, en calquera momento, en equilibro durante a marcha do mesmo..
Primeira lei da termodinámica
[editar]No decorrer de múltiplas experiencias cientificas, unha observación sobre a enerxía sempre foi verificada. Trátese dunha lei co mesmo valor que a lei de gravitación universal. É a primeira lei da termodinámica que pode ser expresada de diversas maneiras, por exemplo:
- A enerxía do universo é constante.
ou aínda
- No decorrer dun proceso calquera, a enerxía pódese transformar mais non pode crearse, nin destruírse.
Como:
Universo = sistema + medio externo, a primeira lei pode ser escrita :
o que nos podemos expresar por:
En consecuencia, calquera mudanza de enerxía dun sistema vén acompañada por unha variación dun mesmo valor absoluto, pero de sinal oposto, na enerxía do medio externo.
Calquera mudanza de enerxía do sistema , que designaremos por a partir de agora é o resultado de cambios de enerxía co medio externo. Poderemos calcular adicionando todos os trocos entre o sistema e o medio externo:
Por causa da primeira lei, a enerxía do sistema é unha función de estado, é dicir, unha función
- cuxo valor depende só do estado actual
- cuxa diferencial total é exacta
- cuxas mudanzas de , durante unha transformación calquera, non dependen do camiño utilizado.
En efecto, imos supor o contrario. Se dependese do camiño utilizado, poderiamos construír un camiño cíclico, é dicir unha sucesión de transformacións que levaría finalmente ao estado inicial. Poderiamos crear enerxía, cousa que todas as observacións feitas ate hoxe indican como imposíbel.
‘‘‘Coidado ‘‘‘ A calor e o traballo non son funcións de estado, visto que a primeira lei se aplica á enerxía (suma de todos os trocos de enerxía). Se un sistema se transforma do estado inicial 1 para o sistema final2 por dous camiños diferentes A e B, temos
Por consecuencia, temos tamén:
Porén, mesmo se a suma das trocas é a mesma calquera sexa o camiño utilizado, podemos moito ben ter:
Exemplos de funcións de estado:
- A temperatura, o volume molar, o punto de ebulición, a relación 16O/18O dun composto, a idade dunha persoa son exemplos de función de estado que dependen soamente do estado presente e non da historia do sistema.
Exemplos de magnitudes que non son funcións de estado:
- O tamaño das partículas nun precipitado, a idade dunha persoa que se deslocou a unha velocidade próxima da velocidade da luz.