Termodinámica/1ª lei/Primeira lei

En Galilibros, o Wikibooks en galego.
Saltar ata a navegación Saltar á procura

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.
1. Ecuacións de estado dos gases: 1.1 Ecuación de estado dos gases perfectos / 1.2. Gases reais / 1.3. Ecuación de estado de Van der Waals / 1.4. Estados correspondentes / 1.5. Outras ecuacións de estado
2. Primeira lei da termodinámica: 2.1. Primeira lei / 2.2. Expresión cuantitativa do traballo de expansión / 2.3. Entalpía / 2.4. Capacidade calorífica / 2.5. Aplicación aos gases perfectos / 2.6. Termoquímica / 2.7. Traballo, calor e metabolismo - Aplicación aos seres vivos
3. Entropía: 3.1. Elementos de termodinámica estatística / 3.2. Segunda lei da termodinámica / 3.3. Variación da entropía durante procesos reversíbeis / 3.4. Evolución térmica espontánea / 3.5. Variación de entropía durante procesos irreversiveis / 3.6. Variación de entropía dos gases perfectos-Ciclo de Carnot
4. Relacións fundamentais da termodinámica: 4.1. As relacións fundamentais / 4.2. Variación da enerxía libre coa temperatura.Relación de Gibbs-Helmhotz / 4.3. Variación isoterma da enerxía co volume.Presión interna / 4.4. Relación entre Cp e Cv / 4.5. Variación de entropía e de enerxía dun gas de Van der Waals / 4.6. Efecto da presión sobre a entalpía / 4.7. Enerxía libre e traballo máximo
5. Equilibrio de fases dun corpo puro: 5.1. Variación da enerxía libre coa temperatura e a presión / 5.2. Presión de vapor / 5.3. Ecuación de Clapeyron / 5.4. Diagrama de fases dun corpo puro