ENSAYO SOBRE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA.
Comencemos con una propiedad llamada Energía. El término energía tiene diversas acepciones y definiciones, relacionadas con la idea de una capacidad para realizar trabajo, transformar, poner en movimiento.
Todos los cuerpos, pueden poseer energía debido a su movimiento, a su composición química, a su posición, a su temperatura, a su masa y a algunas otras propiedades.
Es muy difícil dar una definición concreta y contundente de energía, ya que la energía no es un ente físico real, ni una "sustancia intangible" sino sólo un número escalar que se le asigna al estado del sistema físico, es decir, la energía es una herramienta o abstracción matemática de una propiedad de los sistemas. Podemos medir las interacciones en el cambio de energía de un sistema, como su velocidad, su temperatura, su carga eléctrica. Debe quedar claro que la energía es una propiedad y sus diferentes manifestaciones es lo que comúnmente llamamos diferentes formas de energía. Es un error, tal vez con poca importancia pero muy recurrente, hablar de energías, como ejemplo Energías Renovables, ya que sólo existe el concepto energía (de manera singular) lo correcto será Fuentes Renovables de Energía.
El uso de la magnitud energía en términos prácticos se justifica porque es mucho más fácil trabajar con magnitudes escalares, como lo es la energía, que con magnitudes vectoriales como la velocidad y la posición. Así, se puede describir completamente la dinámica de un sistema en función de las energías cinética, potencial y de otros tipos de sus componentes.
En la práctica, en las situaciones no-relativistas, se tiende, en primera aproximación (normalmente muy buena), a descomponer la energía total en una suma de términos que se llaman las diferentes formas de la energía.
La energía potencial y la energía cinética son dos elementos a considerar, tanto en la mecánica como en la termodinámica. Estas formas de energía se originan por la posición y el movimiento de un sistema en conjunto, y se conocen como la energía externa del sistema. Sin duda, un tema muy importante en la termodinámica es analizar la energía interior de la materia, energía asociada con el estado interno de un sistema que se llama energía interna. Cuando se especifica un número suficiente de coordenadas termodinámicas, como por ejemplo, temperatura y presión, se determina el estado interno de un sistema y se fija su energía interna [1].
En general (para un sistema no-relativista), la energía total,
, de un sistema puede descomponerse en la energía inherente de la masa 
, la energía cinética 
, la energía potencial 
, y la energía interna 
, esto es,
(15)donde:
(16)
(17)la energía potencial
depende de los campos externos a los que está sometido el sistema y está dada como función de la posición. La energía interna que considera la energía de las partículas que constituyen el sistema y sus interacciones a corta distancia. En realidad, esta descomposición permite distinguir entre las formas de energía mecánica (
y 
) y una forma de energía termodinámica () que tiene sentido para un sistema estadístico constituido por un gran número de partículas.El cambio de energía total del sistema puede descomponerse en
(18)donde
y 
representan el cambio de su energía externa (cinética y potencial respectivamente), y 
representa el cambio de su energía interna, dada por la energía cinética y potencial de las moléculas, átomos y partículas subatómicas que constituyen el sistema.[1].Como se indicó, la energía interna de un sistema
, tiene la forma de energía cinética y potencial de las moléculas, átomos y partículas subatómicas que constituyen el sistema, es decir,
(19)donde la energía cinética interna es la suma de la energía cinética de todas las partículas del sistema,
(20)y la energía potencial interna es la suma de la energía potencial debida a la interacción de todas las partículas entre si,
(21)Pero qué hay respecto a la medición de la energía. Sólo las diferencias de energía, en lugar de los valores absolutos de energía, tienen significado físico, tanto a nivel atómico como en sistemas macroscópicos. Convencionalmente se adopta algún estado particular de un sistema como estado de referencia, la energía del cual se asigna arbitrariamente a cero. La energía de un sistema en cualquier otro estado, relativa a la energía del sistema en el estado de referencia, se llama la energía termodinámica del sistema en ese estado y se denota por el símbolo
. [6].Con base en la observación se llega a las siguientes aseveraciones
1. Existe para cada sistema una propiedad llamada energía
. La energía del sistema se puede considerar como la suma de la energía interna , de energía cinética , de energía potencial , y de energía química 
.a). Así como la Ley de Cero definió la propiedad `` temperatura'' la Primera Ley define la propiedad llamada ``energía''.
b). En termodinámica, comparado con lo que comúnmente se discute en los curso de física o dinámica, se utilizan los términos energía interna y la energía química para describir el sistema en estudio. Cabe señalar que este curso deja de lado la energía química pero no descuidaremos la energía interna. En la figura se muestra el movimiento aleatorio o desorganizado de las moléculas de un sistema. Puesto que el movimiento molecular es sobre todo una función de la temperatura, la energía interna es a veces llamada energía térmica.
Figure 12: Incremento de la energía interna como consecuencia de la trasnferencia de calor.
La energía interna por unidad de masa
, es una función del estado del sistema. Así
(22) 
Recordemos que para sustancias puras el estado entero del sistema está especificado si se consideran dos propiedades.
2. El cambio en energía de un sistema es igual a la diferencia entre el calor
agregado al sistema y el trabajo 
hecho por el sistema,
(las unidades son Joules, 
)
(23)donde
es la energía del sistema, es el calor suministrado al sistema, y es el trabajo hecho por el sistema, recordemos que
(24)a). Al igula que la Ley Cero, La primera Ley describe el comportamiento de esta nueva propiedad, la energía [5].
b). La ecuación (23) también se puede escribir con base en unidad por masa, tal que
(25)c). En muchas situaciones la energía potencial, la energía cinética, y la energía química del sistema son constantes, entonces
(26)y por tanto podemos escribir
(27)d). Se observa que
y no son funciones de estado, sólo , que es consecuencia del movimiento molecular y que depende del estado del sistema. La energía interna no depende de la ruta o trayectoria que siguió el sistema entre el estado inicial y el estado final. Se debe tener en mente que es independiente de la ruta o trayectoria mientras que y no los son.Esta diferencia se enfatiza matemáticamente escribiendo
(28)donde el símbolo
se utiliza para denotar que estos son diferenciales inexactas pues dependen de la trayectoria. Para la diferencial 
esta representa un cambio infinitesimal en el valor de y la integración da una diferencia entre dos valores tal que
(29)mientras que
denota una cantidad infinitesimal y la integración da una cantidad finita tal que
(30)y
(31)5. En la convención de signos
se define como positivo si se transfiere hacia el sistema, si el calor se transfiere del sistema hacia los alrededores es negativa se define como positivo si el trabajo es hecho por el sistema, mientras que si el trabajo se hace sobre el sistema ( desde el medio hacia el sistema) se define como negativo.6. En los procesos cuasi-estáticos podemos substituir
7. La Primera Ley de la Termodinámica impide la existencia de movimientos perpetuos de primera especie, es decir, aquellos que se alimentan de la energía que ellos mismos producen, sin necesidad de ningún aporte exterior.
La Primera Ley de la Termodinámica identifica el calor como una forma de energía. Esta idea, que hoy nos parece elemental, tardó mucho en abrirse camino y no fue formulada hasta la década de 1840, gracias a las investigaciones de Mayer y de Joule principalmente. Anteriormente, se pensaba que el calor era una sustancia indestructible y sin peso (el calórico) que no tenía nada que ver con la energía.
CANTIDAD DE MOVIMIENTO LINEAL EN ESPACIO DE LUGARES.
Resulta difícil detener a un auto que a una motocicleta, por lo que se dice que la motocicleta posee menor cantidad de movimiento que el auto: La cantidad de movimiento está relacionada con la inercia, es decir con la masa y además con la velocidad:
Cantidad de Movimiento = Masa x Velocidad
También podemos encontrar el nombre como Momentum Lineal
De acuerdo con la expresión anterior, un cuerpo puede tener gran cantidad de movimiento si posee una gran masa, una gran velocidad o ambas cosas.
IMPULSO
Si la cantidad de movimiento de un cuerpo cambia, también cambia su velocidad, claro suponiendo que la masa se conserve. Si existe una variación en la velocidad, quiere decir que hay aceleración, pero ¿qué produce esta aceleración?: recuerda que Newton afirmó que una fuerza, y debe actuar sobre el cuerpo en un instante determinado; cuanto mayor sea la fuerza más intensa sería la variación en la cantidad de movimiento que el cuerpo experimenta.
Existe otro factor que permite variar la cantidad de movimiento y es el tiempo que tarda en actuar esa fuerza sobre el cuerpo. Si dos hombres intentan empujar un auto, aplicando una fuerza en un instante de tiempo muy pequeño, es muy posible que no lo muevan, en cambio si la misma fuerza es aplicada por un lapso de tiempo mayor, posiblementelograrían mover.
El producto de esta fuerza por el tiempo que tarda en actuar sobre un cuerpo dado se le conoce como impulso.
Existe otro factor que permite variar la cantidad de movimiento y es el tiempo que tarda en actuar esa fuerza sobre el cuerpo. Si dos hombres intentan empujar un auto, aplicando una fuerza en un instante de tiempo muy pequeño, es muy posible que no lo muevan, en cambio si la misma fuerza es aplicada por un lapso de tiempo mayor, posiblementelograrían mover.
El producto de esta fuerza por el tiempo que tarda en actuar sobre un cuerpo dado se le conoce como impulso.
En ningún caso puede cambiar la cantidad de movimiento de un cuerpo si no actúan fuerzas externas sobre él.
La cantidad de movimiento de un sistema tiene antes y después de una interacción la misma variación, es decir no cambia, es el mismo.
COLISIONES O CHOQUES
En algunas colisiones es posible que no se conserve la cantidad de movimiento de un cuerpo, pero a continuación se presentan varios impactos entre bolas de billar en donde sí se conserva la cantidad de movimiento:
En aquellos casos donde se conserva la energía cinética durante el choque, se dice que el choque es elástico.
En caso contrario se dice que es inelástico.
Cuando dos cuerpos permanecen unidos después del impacto, se dice que la colisión es perfectamente inelástica, por ejemplo el choque entre una bala y un bloque de madera, en el que la bala queda incrustada.
EJEMPLO 5.1: Colisiones elásticas de esferas de igual masa
Los casos mostrados en la figura 5.1, corresponden a colisiones perfectamente elásticas; obsérvalas y piensa en los
signos de las velocidades de las bolas, teniendo en cuenta el eje en el que se estén moviendo.
BIBLIOGRAFÍA.
No hay comentarios:
Publicar un comentario