Primer principio de termodinámica

El principio general de la conservación de la energía dice que “la materia no se crea ni se destruye aunque se puede transformarse de una forma a otra”.

El primer principio de la termodinámica es la aplicación del principio general de la interconversión concreta calor-trabajo.

Sea un sistema que recibe una cantidad de calor Q y realiza un trabajo L.

Como la energía no se crea ni se destruye, la diferencia que puede existir entre el calor y el trabajo citado ha tenido que repercutir en un cambio equivalente de la energía interna del sistema. Si Q es mayor que L, el sistema ha divido disminuir su energía interna.

Matemáticamente se expresa así:

En forma simplificada:

El primer principio de la termodinámica dice que:

“La cantidad de calor Q suministrada a un sistema se invierte en parte en la realización de un trabajo externo L; siendo el resto absorbido por el sistema, ocasionado un aumento  de la energía interna del mismo”

En la transformación inversa, un sistema sobre el que se realiza un cierto trabajo y cede cierta cantidad de calor, la expresión matemática de dicha transformación es de la siguiente manera:

A lo que es lo mismo:

Es decir:

“el trabajo suministrado a un sistema se invierte en parte en ceder calor al exterior y en un aumento de la energía interna del mismo”.

Trabajo de cambio de volumen de un gas

Un sistema formado por un gas encerrado en un recipiente cilíndrico provisto de un pistó, es fácil imaginar que el intercambio de calor puede tener lugar de algún modo a través de las paredes de dicho recipiente. Pero ¿Cómo puede realizarse trabajo en este sistema?

Si se baja el pistón y se comprime el gas, se está realizando un trabajo de compresión sobre el as del recipiente. Por el contrario, cuando el gas se expansiona y levanta el pistón, está realizando un trabajo de expansión.

Cálculo del trabajo termodinámico

Se considera expansión de un gas, si, encerrado éste en un cilindro con un émbolo móvil, ocupando inicialmente un volumen , experimenta una expansión hasta ocupar un volumen .

A medida que el volumen aumenta, la presión a que está sometido el gas  varía, por lo que se puede expresar la función:

Que relaciona el valor de la presión con el del volumen. En general, la representación gráfica de esta función es una línea curva; en el caso particular de que la función sea constante:

Su representación gráfica es una recta horizontal:

Si sobre esta última gráfica se consideran las abscisas correspondientes a los valores, se tranzan las verticales  y  y se evalúa al área del rectángulo que se forma,  resulta:

La diferencia, , es el aumento de volumen experimentado por el gas; es igual al producto de la superficie S del cilindro por la distancia e recorrida por el émbolo:

Sustituyendo este valor en la igualdad anterior, se obtiene:

Este resultado expresa el hecho de que, cuando la presión se mantiene constante, el trabajo originado por un cambio de volumen es igual al valor de área limitada por la gráfica, las verticales correspondientes a  y el eje de abscisas.