Leyes de la Termodinámica - Ejercicios Resueltos
Hoy hablaremos sobre las leyes de la termodinámica, estas leyes tienen algo especial y es que forman parte de un concepto muy controversial en física.
Alguna vez te has preguntado, ¿Por qué el tiempo fluye en una sola dirección?, o quizá interrogarte ¿Por qué envejecemos y no volvemos a ser jóvenes otra vez?, o si es posible el cambiar la fluidez del tiempo en dirección contraria a como avanza, muchas de estas preguntas tienen una respuesta concisa, pero la gran problemática surge en la segunda ley de la termodinámica, porque rigurosamente nos da a entender que el flujo del tiempo solo debe apuntar en una sola dirección.
La termodinámica como wikipedia nos explica o bien sacando un resumen de lo explicado, podríamos decir que:
La termodinámica estudia el calor y los fenómenos térmicos. En esta rama de la física el mundo se divide en sistemas. Concretamente podríamos llamar a un sistema aquél conjunto de varios cuerpos, que se escoge o aísla para estudiarlo, tal como el gas, ya que todo lo demás entran a formar parte del entorno.
La termodinámica se puede sintetizar en cuatro leyes, sin embargo en este artículo solamente hablaremos de la primera Ley de la Termodinámica, así como ejercicios resueltos y de práctica para entender mucho mejor el tema.
¿Qué es la primera ley de la termodinámica?
La Primera Ley de la Termodinámica la podrás reconocer fácilmente con aquella frase muy famosa que dice "La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma", pues ciertamente la primera ley hace referencia que el calor suministrado a un sistema es igual a la suma del incremento en la energía interna de éste y el trabajo realizado por el sistema sobre sus alrededores.
Esta ley también la podemos encontrar en algunos textos de Física como aquella ley que establece el Principio de Conservación de la Energía.
Para todo sistema termodinámico existe una función característica denominada energía interna. La variación de esa energía interna (ΔU) entre dos estados cualquiera puede ser determinada por la diferencia entre la cantidad de calor (Q) y el trabajo (T) intercambiados con el medio externo.
La primera ley de la termodinámica la definiremos en conceptos matemáticos para hacerla más entendible.
$\displaystyle \Delta Q=\Delta U+\Delta W$
Dónde;
$\displaystyle \Delta Q$ = Calor suministrado al sistema [Cal, Joules]
$\displaystyle \Delta U$ = Incremento en la energía del sistema [ Cal, Joules]
$ \displaystyle \Delta W$= Trabajo realizado por el sistema [Cal, Joules]
Reglas importantes para la solución de ejercicios y problemas
El signo de $\displaystyle \Delta Q$ es positivo cuando al sistema se le suministra calor y es negativo si el sistema cede calor.
El signo de $\displaystyle \Delta W$ es positivo cuando el sistema realiza trabajo y negativo cuando el trabajo se realiza sobre él.
Si el sistema incrementa su temperatura el signo $\displaystyle \Delta U$ es positivo, y si disminuye su temperatura es negativo.
⭐ Fórmula de la Primera Ley de la Termodinámica
En forma de resumen hasta este momento, podemos entonces colocar la fórmula de la primera ley, que es la siguiente:
Veamos los siguientes ejemplos, para entender finalmente a emplear dicha fórmula ?
Ejercicios Resueltos de la Primera Ley de la Termodinámica
Problema 1.- ¿Cuál es el incremento en la energía interna de un sistema si se le suministran 700 calorías de calor y se le aplica un trabajo de 900 Joules?
Solución:
El problema indica que se le están suministrando 700 calorías de calor, eso quiere decir que $\displaystyle \Delta Q$ será positivo, por otra parte nos dice que al sistema se le aplicará un trabajo de 900 Joules, aquí el signo de $\displaystyle \Delta W$ tendrá que ser negativo, puesto que se la están aplicando al sistema.
Sabiendo ese análisis podemos dar solución al problema de la siguiente forma:
Vamos a convertir las 700 calorías de calor en Joules. ¿Por qué? Porque el S.I (Sistema Internacional) de medida así lo estandariza.
$\displaystyle 700cal\left[ \frac{4.2J}{1cal} \right]=2940J$
Recordar que $\displaystyle \Delta W=-900J$ porque como dijimos, al sistema se le está aplicando un trabajo. Ahora conforme a la fórmula de la primera ley de la termodinámica, iniciemos a sustituir.
$\displaystyle \Delta Q=\Delta U+\Delta W$
despejando " $\displaystyle \Delta U$"
$\displaystyle \Delta U=\Delta Q-\Delta W$
Sustituyendo
$\displaystyle \Delta U=2940J-(-900J)=2940+900=3840J$
Ese sería el resultado de nuestro incremento en la energía interna.
Veamos otro ejemplo, para entender a grandes rasgos la primer ley de la termodinámica 😀
Problema 2.- Suponga que un sistema pasa de un estado a otro, intercambiando energía con su vecindad. Calcule la variación de energía interna del sistema en los siguientes casos:
a) El sistema absorbe 100 cal y realiza un trabajo de 200 J.
b) El sistema absorbe 100 cal y sobre él se realiza un trabajo de 200 J.
c) El sistema libera 100 cal de calor a la vencidad (alrededor), y sobre él se realiza un trabajo de 200 J.
Solución:
a) Para iniciar a resolver este inciso, debemos entender lo que nos pide.
+ El sistema absorbe 100 cal , que convertiremos en Joules.
+ El sistema realiza el trabajo de 200 J.
Convertimos lo que que absorbe el sistema:
$\displaystyle 100cal\left( \frac{4.18J}{1cal} \right)=418J$
Ahora esto nos indica que por fórmula tendremos:
$ \displaystyle \Delta U=\Delta Q-\Delta T$
$\displaystyle \Delta U=418J-200J=218J$
Observamos que la energía interna del sistema aumenta considerablemente a 218 J.
b) Para este caso analizamos de la siguiente manera el inciso.
+ El sistema absorbe 100 cal
- El trabajo fue realizado sobre el sistema 200J
Por fórmula tenemos:
$\displaystyle \Delta U=418J-(-200J)=618J$
Por lo que ahora, tenemos 618 Joules, y observamos un gran incremento de la energía interna.
Y finalmente el último inciso.
c) En este caso el sistema hace las dos versiones distintas al inciso a), pues aquí tenemos el siguiente análisis.
- El sistema libera 100 cal [Se convierte a Joules]
- Se le aplica un trabajo sobre el sistema de 200 J
Por fórmula tendríamos algo así:
$\displaystyle \Delta U=-418J-(-200J)=-418J+200J=-218J$
Vemos que la energía del sistema disminuye considerablemente, y esto es lógico puesto que nada más recibió 200 J de energía y a su vez estaba liberando 418 Joules.
Segunda ley: Por si mismo el calor no aumenta, puede disminuir pero no aumenta, siempre que aumenta tiene que ser por alguna forma de energía, esta ley es una de las más interesantes por lo que haremos un tema especial para ella, dándole click aquí te llevará al artículo dedicado 😀
Tercera ley: Esta ley da a explicar que una temperatura absoluta de cero grado es imposible alcanzar, la temperatura es una medida de la velocidad promedio de las moléculas de una sustancia. Podemos ensayar por todos los medios pero no podemos lograr que el movimiento molecular cese por completo.
Ley cero: Esto sin duda la podríamos explicar sin mucho texto, y es que la ley cero explica que si dos objetos están en equilibrio térmico es decir que tienen la misma temperatura, con un tercero que llamaremos termómetro, están equilibrio térmico entre sí. Esto parece tan obvio de cierta forma que parece que no debería considerarse una ley.
Lo curioso
Lo curioso de estas leyes es su descubrimiento y como fueron tomadas en cuenta, La segunda ley fue descubierta primero. Luego vino la primera ley. La tercera fue realmente la tercera, pero tal vez no es una ley aparte (porque puede considerarse una extensión de la segunda ley). La ley cero fue la última, como una idea tardía entre los científicos.
Ejercicios para practicar de la primera ley de la termodinámica
A continuación se muestran algunos ejercicios para practicar la primera ley de la termodinámica, en estos ejercicios también el alumno puede corroborar sus resultados, ya que contienen la solución paso a paso. ??
Problema 3.- ¿Cuál será la variación de la energía interna en un sistema que recibe 480 calorías y se le aplica un trabajo de 1090 Joules?
Problema 4.- A un sistema formado por un gas encerrado en un cilindro como émbolo, se le suministran 600 calorías y realiza un trabajo de 430 Joules. ¿Cuál es la variación de la energía interna del sistema expresado en Joules?
Problema 5.- Un sistema al recibir un trabajo de -240 J, sufre una variación en su energía interna igual a 95 J. Determinar la cantidad de calor que se transfiere en el proceso y si el sistema recibe o cede calor.
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Oscar Castro dice:
En el ejercicio uno al despejar no seria Delta Q quien debería ser negativo y aplicar la multiplicación de símbolos con el?
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No Oscar, ¿por qué debería ser así?, dígame y podemos aclarar mejor el tema.
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cuando el sistema hace trabajo es negativo y cuando se hace trabajo sobre el es positivo no es asi??
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Karina dice:
Hola
Me podrías dar un ejemplo en la cual actúen los cuatro postulados de la termodinámica incluyendo la entropia de la segunda ley.
Gracias. ? -
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Como todo ser humano, podemos tener errores. Incluso en la misma ciencia lo ha habido, y dan paso a nuevas teorías. Pero ¿específicamente en qué punto? ¿en algún ejemplo?
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con respecto al ejercicio 2 punto A quisiera saber pq el trabajo se pone negativo ya que según el enunciado el trabajo es realizado por el sistema y cuando esto sucede el trabajo va positivo.
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Hola Verónica!
Mira, si el trabajo va negativo es porque el mismo sistema está realizando el trabajo, lógicamente la cantidad de energía la irá perdiendo porque estará ejecutando una acción. Aquí hay que entenderlo como la manera de realizar una acción y ver como lo considera el que realiza el análisis.
+ Si alguien me entrega energía entonces tendré (+) será positivo.
- Si me pongo a realizar un trabajo con esa energía que me han dado, (-) entonces será negativo¿Me explico?
Saludos
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Josefa dice:
Hola me podrías ayudar con mi ejercicio?
Un buzo recreativo carga se botella con 9L a una presión manometrica de 220 bar, es un dia con buenas condiciones climáticas, con una temperatura de 18°C y 25% de humedad relativa. Luego de 10 minutos de inmersión el buzo alcanzó una profundidad de 30 metros y un temperatura del agua de 13°C consumiendo el 50% del aire inicial. Determine por medio de la ecuación de gas ideal y la ecuación de peng Robinson:
a) la masa inicial de aire, en kg cargado en la botella
b) presión de la botella en bar, suponga que la densidad del agua de mar es 1200kg/m3.
Si puedes ayudarme escribeme a mi WhatsApp +56957901793 -
Franck Rey dice:
No, un trabajo negativo implica que un agente externo es el que realiza trabajo sobre el sistema, un calor positivo implica una transmisión de energía al sistema (en forma de calor), mientras que el calor seré negativo si es que el sistema cede calor. Una variación de energía interna (+) implica que el sistema se calienta y si es (-) el sistema se enfría.
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Victor dice:
con respecto al ejercicio 2 punto a, el trabajo si es positivo, lo que sucede es que al despejar la formula el trabajo (W o T) queda negativo por el cambio de miembro de la ecuacion, visto aqui entenderas mejor:
(delta)Q = (delta)U + (delta)W
necesitamos encontrar el valor de U entonces pasamos W al otro miembro de la ecuacion con su operacion contraria, (esta sumando pasara a restar) seria:
(delta)Q - (delta)W = (delta)U, sustituyendo:
418 - (+200) = U
U = 218-
Me puede ayudar con mi ejercicio?
Un dispositivo provisto de un cilindro embolo móvil, es llenado con 20kg de agua que se encuentra inicialmente a 20°C y una presión absoluta de 200kpa. El sistema se comienza a calentar hasta un volumen de 1.35298 m3 /kg. Luego se bloquea el sistema móvil y se sigue calentado hasta alcanzar una temperatura de 900°C. Luego el vapor se enfría a presión constante hasta alcanzar una calidad de vapor del 40%.
a) realizar diagrama T/V indicando las etapas del proceso
b) determinar volumen, presión, temperatura y calidad del vapor ( si corresponde) para cada etapa del proceso.
c) calcule el cambio de energía interna necesario para pasar de la etapa 1 a la etapa 2 empleando tablas de vapor.
d) calcule el volumen máximo necesario que se debe asegurar el dispositivo cilindro embolo móvil.
Si me puede ayudar escribe a mi WhatsApp +56957901793
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Luis dice:
Se puso positivo, el menos es el de la formula u=q-w, si el trabajo fuera negativo, menos con menos mas y se sumarian, como en el b y c.
saludos
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Estrella 
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