Aplicación de la primera ley de la termodinámica en el cuerpo humano
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Cuando se añade calor a un sistema se produce un aumento de la energía interna debido al aumento de la temperatura, al aumento de la presión o al cambio de estado. Si al mismo tiempo se permite que una sustancia realice un trabajo sobre su entorno por expansión, el calor Q requerido será el necesario para cambiar la energía interna de la sustancia de U1 en el primer estado a U2 en el segundo estado más el trabajo W realizado sobre el entorno.
“En cualquier proceso termodinámico, cuando se añade calor Q a un sistema, esta energía aparece como un aumento de la energía interna ΔU almacenada en el sistema más el trabajo W realizado por el sistema sobre su entorno”.
El metabolismo humano también es un ejemplo de conservación de la energía. Los seres humanos y otros animales realizan trabajo. Cuando caminan, corren o mueven objetos pesados, el trabajo requiere energía. La energía también es necesaria para el crecimiento, para crear nuevas células y para reemplazar las viejas que han muerto. Los procesos de transformación de la energía que ocurren dentro de un organismo se denominan metabolismo. Podemos aplicar la primera ley de la termodinámica:
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Figura 1. Esta tetera hirviendo representa la energía en movimiento. El agua de la tetera se convierte en vapor de agua porque el calor se transfiere de la estufa a la tetera. A medida que todo el sistema se calienta, se realiza trabajo, desde la evaporación del agua hasta el silbido de la tetera. (Crédito: Gina Hamilton)
Si nos interesa saber cómo la transferencia de calor se convierte en trabajo, entonces es importante el principio de conservación de la energía. La primera ley de la termodinámica aplica el principio de conservación de la energía a los sistemas en los que la transferencia de calor y la realización de trabajo son los métodos de transferencia de energía dentro y fuera del sistema. La primera ley de la termodinámica establece que el cambio en la energía interna de un sistema es igual a la transferencia neta de calor hacia el sistema menos el trabajo neto realizado por el sistema. En forma de ecuación, la primera ley de la termodinámica es
Aquí es el cambio en la energía interna del sistema. es el calor neto transferido al sistema, es decir, es la suma de toda la transferencia de calor dentro y fuera del sistema. es el trabajo neto realizado por el sistema, es decir, es la suma de todo el trabajo realizado sobre o por el sistema. Utilizamos las siguientes convenciones de signos: si es positivo, entonces hay una transferencia neta de calor hacia el sistema; si es positivo, entonces hay un trabajo neto realizado por el sistema. Por lo tanto, lo positivo añade energía al sistema y lo positivo quita energía al sistema. Obsérvese también que si la transferencia de calor hacia el sistema es mayor que el trabajo realizado, la diferencia se almacena como energía interna. Los motores térmicos son un buen ejemplo de ello: la transferencia de calor hacia ellos tiene lugar para que puedan realizar trabajo. (Véase la figura 2.) A continuación examinaremos y profundizaremos.
Ejemplos de la primera ley de la termodinámica en la vida cotidiana
Un gas caliente, confinado en una cámara, ejerce presión sobre un pistón, haciendo que se mueva hacia abajo. El movimiento puede aprovecharse para realizar un trabajo igual a la fuerza total aplicada a la parte superior del pistón por la distancia que éste recorre.
Jim Lucas es redactor de Live Science. Cubre temas de física, astronomía e ingeniería. Jim se graduó en la Universidad Estatal de Missouri, donde obtuvo una licenciatura en física con especialización en astronomía y redacción técnica. Tras su graduación, trabajó en el Laboratorio Nacional de Los Álamos como administrador de sistemas de red, redactor técnico y especialista en seguridad nuclear. Además de escribir, edita artículos de revistas científicas en diversas áreas temáticas.
Segunda ley de la termodinámica
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La termodinámica es el estudio de la energía calorífica y otros tipos de energía, como el trabajo, y las diversas formas en que se transfiere la energía dentro de los sistemas químicos. “Termo” se refiere al calor, mientras que “dinámica” se refiere al movimiento.
La primera ley de la termodinámica trata de la cantidad total de energía en el universo. La ley establece que esta cantidad total de energía es constante. En otras palabras, siempre ha habido, y siempre habrá, exactamente la misma cantidad de energía en el universo.
La energía existe en muchas formas diferentes. Según la primera ley de la termodinámica, la energía puede transferirse de un lugar a otro o cambiar entre diferentes formas, pero no puede crearse ni destruirse. Las transferencias y transformaciones de energía tienen lugar a nuestro alrededor todo el tiempo. Por ejemplo, las bombillas transforman la energía eléctrica en energía luminosa, y las estufas de gas transforman la energía química del gas natural en energía térmica. Las plantas realizan una de las transformaciones de energía biológicamente más útiles de la Tierra: convierten la energía de la luz solar en energía química almacenada en las moléculas orgánicas.
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