Introducción y primera ley de la termodinámica

Consumidores perennes de energía

La palabra energía proviene del griego energeia, que significa actividad, operación y del griego energos que es fuerza de acción. Más allá del significado de la palabra, es justo afirmar que la energía es fundamental para la actividad humana ya que se precisa de energía para realizar cualquier labor. A pesar de que no es fácil hacerse una idea de lo que significa exactamente, la energía juega un papel importante en la vida, en todo el medio ambiente. Es necesaria para el crecimiento de los seres vivos, para el desarrollo, para el movimiento y para todas las acciones indispensables del universo. Los seres vivos somos entonces perennes consumidores de energía.

“La energía no se crea ni se destruye sólo se transforma”, Ley de Conservación de la energía (siglo XVII). En esa eterna transformación de energía podemos imaginarnos la infinita variedad de formas o tipos de manifestaciones energéticas. Cinética, potencial, calórica, de radiación, química, nuclear, de un cuerpo en virtud de su masa (teoría relativista), etc. …. Entonces nos preguntamos ¿cómo, en química, podemos hacernos de esta infinita variedad de formas de energía, para generar productos nuevos a partir de reacciones químicas? ¿cómo entender estas interacciones? Un paso lógico para dar respuesta a estas interrogantes debería ser estudiar un poco de termodinámica. Ya que, entre otras cosas, el propósito de la termodinámica es investigar las relaciones entre las diferentes formas de energía, sus diversas manifestaciones y las relaciones entre las propiedades macroscópicas de un sistema en equilibrio.

¿Cuál es el vocabulario en termodinámica? Principalmente, debemos saber que: un sistema, en termodinámica, se refiere a la parte del universo objeto de estudio. Lo que rodea al sistema se conoce como alrededores o medio ambiente. El sistema, está confinado en un lugar definido por la frontera que lo separa del resto del universo, el medio exterior. El sistema puede ser un sistema aislado, cuando la frontera evita cualquier interacción con el medio exterior. O un sistema abierto, cuando hay interacción con el medio exterior, es decir, pasa masa a través de la frontera.

Es importante señalar que la termodinámica clásica estudia sistemas en equilibrio. Pero, ¿cuándo un sistema está en equilibrio termodinámico? Un sistema está en equilibrio cuando sus propiedades permanecen constantes con el tiempo. Puede existir equilibrio mecánico, donde las fuerzas internas y las que actúan sobre el sistema están equilibradas. Puede haber equilibrio térmico entre el sistema y los alrededores por lo cual no debe existir variaciones en las propiedades del sistema o de los alrededores. También puede acaecer equilibrio material, en el cual no ocurren reacciones químicas y no hay transferencia de masa, por tanto las concentraciones de las especies químicas son constantes con el tiempo.

Todo sistema en equilibrio posee una energía interna U, y por medio de tres coordenadas: presión, P; volumen, V y temperatura, T; se puede definir su estado. En el siguiente esquema se puede ver que, cuando existe un cambio de estado hay variación en la energía interna del sistema, manifestada en forma de trabajo, w o de calor, q. El trabajo es cualquier cantidad que fluye a través de la frontera de un sistema durante un cambio de estado y que se puede usar completamente para elevar un cuerpo en el medio exterior. El calor es una cantidad algebraica que pasa a través de la frontera de un sistema durante un cambio de estado, en virtud de una diferencia de temperatura entre el sistema y su medio exterior, y que fluye de un punto de mayor a un punto de menor temperatura.

Cambio de energía interna en un sistema en equilibrio

A pesar del cambio de estado la energía debe conservarse, por lo tanto, podemos escribir el cambio de energía interna como:

Igualmente, se suele expresar la diferencia de energía interna en función de la diferencia entre el calor neto y el trabajo neto:

De allí que la primera ley de la termodinámica se enuncia de la siguiente manera:

“El calor neto absorbido por un sistema es igual a la suma del trabajo realizado por el sistema y el cambio en la energía interna del mismo.”

               

    1era Ley de la termodinámica

Asimismo, podemos escribir la primera ley como:

“El cambio de la energía interna de un sistema está dado por el balance entre el calor recibido y el trabajo realizado por el sistema”

Como ves la primera ley, está relacionada con la equivalencia entre trabajo y calor como formas de energía. En química, podemos atribuir una energía interna a cada cuerpo. Esta energía interna consta de: energía molecular traslacional, rotacional y vibracional; energía cinética y potencial de electrones dentro de las moléculas; energía cinética y potencial de las moléculas (protones y neutrones) dentro del núcleo; la energía relativista de masa en reposo; y energía potencial de interacción entre las moléculas.