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

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 :

$E_{universo}\;=\;E_{sistema}\;+\;E_{medio\;externo}\;=\;constante$

o que nos podemos expresar por:

$dE_{universo}\;=\;dE_{sistema}\;+\;dE_{medio\;externo}\;=\;0$

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.

$dE_{sistema}\;=\;-dE_{medio\;externo}\qquad ou\qquad \Delta E_{sistema}\;=\;-\Delta E_{medio\;externo}$

Calquera mudanza de enerxía do sistema $\;\Delta E_{sistema}$, que designaremos por $\;\Delta E$ a partir de agora é o resultado de cambios de enerxía co medio externo. Poderemos calcular $\;\Delta E$ adicionando todos os trocos entre o sistema e o medio externo:

$\Delta E\;=\;Q+W$

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 $\;\Delta E$, durante unha transformación calquera, non dependen do camiño utilizado.

En efecto, imos supor o contrario. Se $\Delta E,$ 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

$\Delta A=\Delta B\;=\;E2-E1$

Por consecuencia, temos tamén:

$Q_{A}+W_{A}\;=\;Q_{B}+W_{B}$

Porén, mesmo se a suma das trocas é a mesma calquera sexa o camiño utilizado, podemos moito ben ter:

$Q_{A}\neq Q_{B}\qquad e\qquad W_{A}\neq W_{B}$

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.