TEORÍA SOBRE LA NATURALEZA DEL CALOR

TEORÍA SOBRE LA NATURALEZA DEL CALOR

Representa la cantidad de energía que un cuerpo transfiere a otro como consecuencia de una diferencia de temperatura entre ambos. El tipo de energía que se pone en juego en los fenómenos caloríficos se denomina energía térmica. El carácter energético del calor lleva consigo la posibilidad de transformarlo en trabajo mecánico. Sin embargo, la naturaleza impone ciertas limitaciones a este tipo de conversión, lo cual hace que sólo una fracción del calor disponible sea aprovechable en forma de trabajo útil.

Las ideas acerca de la naturaleza del calor han variado apreciablemente en los dos últimos siglos. La teoría del calórico o fluido tenue que situado en los poros o intersticios de la materia pasaba de los cuerpos calientes en los que supuestamente se hallaba en mayor cantidad a los cuerpos fríos, había ocupado un lugar destacado en la Física desde la época de los filósofos griegos. Sin embargo, y habiendo alcanzado a finales del siglo XVIII su pleno apogeo, fue perdiendo credibilidad al no poder explicar los resultados de los experimentos que científicos tales como Benjamín Thomson (1753-1814) o Humphrey Davy (1778-1829) realizaron.

Una vieja idea tímidamente aceptada por sabios del siglo XVII como Galileo Galilei o Robert Boyle resurgió de nuevo. El propio Thompson , según sus propias palabras, aceptó la vuelta a aquellas «viejas doctrinas que sostienen que el calor no es otra cosa que un movimiento vibratorio de las partículas del cuerpo».

Las experiencias de Joule (1818-1889) y Mayer (1814-1878) sobre la conservación de la energía, apuntaban hacia el calor como una forma más de energía. El calor no sólo era capaz de aumentar la temperatura o modificar el estado físico de los cuerpos, sino que además podía moverlos y realizar un trabajo.

Las máquinas de vapor que tan espectacular desarrollo tuvieron a finales del siglo XVIII y comienzos del XIX eran buenos muestra de ello. Desde entonces las nociones de calor y energía quedaron unidas y el progreso de la Física permitió, a mediados del siglo pasado, encontrar una explicación detallada para la naturaleza de esa nueva forma de energía, que se pone de manifiesto en los fenómenos caloríficos.

Una unidad muy empleada para medir esta energía (el calor) es la caloría: calor necesario para que 1 g. de agua aumente 1ºC su temperatura. 
No todos los cuerpos se calientan de la misma forma. El calor específico es la propiedad de los cuerpos que mide esa diferencia y se puede definir como el calor necesario para que la unidad de masa de un cuerpo aumente 1ºC su temperatura

DIFERENCIA ENTRE CALOR Y TEMPERATURA

Todos sabemos que cuando calentamos un objeto su temperatura aumenta. A menudo pensamos que calor y temperatura son lo mismo. Sin embargo, esto no es así. El calor y la temperatura están relacionadas entre sí, pero son conceptos diferentes.

Como ya dijimos, el calor es la energía total del movimiento molecular en un cuerpo, mientras que la temperatura es la medida de dicha energía. El calor depende de la velocidad de las partículas, de su número, de su tamaño y de su tipo. La temperatura no depende del tamaño, ni del número ni del tipo.

Por ejemplo, si hacemos hervir agua en dos recipientes de diferente tamaño, la temperatura alcanzada es la misma para los dos, 100° C, pero el que tiene más agua posee mayor cantidad de calor.

El calor es lo que hace que la temperatura aumente o disminuya. Si añadimos calor, la temperatura aumenta. Si quitamos calor, la temperatura disminuye.

La temperatura no es energía sino una medida de ella; sin embargo, el calor sí es energía.

Cambios de estado

En la naturaleza existen tres estados usuales de la materia: sólido, líquido y gaseoso. Al aplicarle calor a una sustancia, esta puede cambiar de un estado a otro. A estos procesos se les conoce como Cambios de estado. Los posibles cambios de estado son:

-de estado solidó a liquido, llamado fusión.

-de estado liquido a solidó, llamado solidificación.

-de estado liquido a gaseoso, llamado vaporización

-de estado gaseoso a liquido, llamado condensación

-de estado solidó a gaseoso, llamado sublimación progresiva.

-de estado gaseoso a sólido, llamado sublimación regresiva.

DILATACIÓN TÉRMICA

Se denomina dilatación térmica al aumento de longitud, volumen o alguna otra dimensión métrica que sufre un cuerpo físico debido al cambio de temperatura que se provoca en ella por cualquier medio.

De una forma general, cuando aumentamos la temperatura de un cuerpo (sólido o líquido), aumentamos la agitación de las partículas que forman ese cuerpo. Esto causa un alejamiento entre las partículas, resultando en un aumento en las dimensiones del cuerpo (dilatación térmica). Por otra parte, una disminución en la temperatura de un cuerpo, acarrea una reducción en sus dimensiones (construcción térmica)

En la construcción civil, por ejemplo, para prevenir posibles trincas y rupturas por causa de dilatación térmica de los materiales, se utilizan “folgas” llamadas como juntas de dilatación.

DILATACIÓN LINEAL

Más allá que la dilatación de un sólido suceda en todas las dimensiones, puede predominar la dilatación de apenas una de sus dimensiones sobre las demás. O aún, podemos estar interesados en una única dimensión del sólido. En este caso, tenemos la dilatación lineal (DL).

El coeficiente de dilatación lineal, designado por α_L, para una dimensión lineal cualquiera, se puede medir experimentalmente comparando el valor de dicha magnitud antes y después de cierto cambio de temperatura como:¿COMO?

Donde ΔL, es el incremento de su integridad física cuando se aplica un pequeño cambio global y uniforme de temperatura ΔT a todo el cuerpo. El cambio total de longitud de la dimensión lineal que se considere, puede despejarse de la ecuación anterior:

Donde:

α=coeficiente de dilatación lineal [°C^-1]

L₀ = Longitud inicial

L_f = Longitud final

T₀ = Temperatura inicial.

T_f = Temperatura final

DILATACIÓN SUPERFICIAL

Ahora en un sólido, cuando las dimensiones predominantes son el largo y el ancho sobre el espesor o altura, como ser una chapa o una lámina, al exponerse a la acción del calor habrá un incremento o variación en la superficie (ΔS) y no así en el espesor llamada dilatación superficial. Para calcular la superficie final (Sf) de un sólido plano, la fórmula será:

Sf  = Si .(1 + β . ΔT)

El coeficiente de dilatación superficial ( β ) resultará de ser el doble del valor del coeficiente de dilatación lineal (α) para cada una de las sustancias, porque al tratarse de dos dimensiones largo y ancho, el cálculo es:

β = 2 . α

DILATACIÓN CÚBICA

En los sólidos, cuando predominan sus tres dimensiones como el largo, ancho y altura, siendo un prisma, una esfera, un cubo, etc, al exponerse a la acción del calor habrá un incremento o variación en el volumen (ΔV) se denomina dilatación cúbica o volumétrica. Para calcular el volumen final (Vf) en un sólido la fórmula será:

Vf  = Vi .(1 + γ . ΔT)

El coeficiente de dilatación cúbica ( γ ) resulta al ser el triple del valor del coeficiente de dilatación lineal (α) para cada una de las sustancias, porque al tratarse de tres dimensiones largo, ancho y altura, el cálculo es:

γ = 3 . α

DILATACIÓN DE LÍQUIDOS

El efecto de la dilatación en los líquidos es más evidente que en los sólidos: al encontrarse sus moléculas con más libertad para moverse, el volumen que ocupa cada una aumenta más facilmente con la temperatura, por lo que también lo hace el volumen del líquido en su conjunto. Su expresión es similar a la dilatación volumétrica de los sólidos.

La dilatación de los líquidos sigue la expresión:

V=V0⋅(1+α⋅∆T)

Donde:

·         V, V₀ : Volumen final e inicial respectivamente del líquido. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el metro al cubo ( m³ )

·         α: Coeficiente de dilatación del líquido. Es específico de cada líquido y representa el aumento de volumen de un líquido de volumen la unidad, cuando su temperatura se eleva 1 K. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el K^-1, aunque también se usa el ºC^-1

·         ∆T: Incremento de temperatura que experimenta el líquido. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el kelvin ( K ), aunque también se usa el ºC

Observa que, aunque la unidad de temperatura en el Sistema Internacional es el kelvin K, por comodidad también se usa el grado centígrado ºC, en cuyo caso el coeficiente de dilatación del líquido α se expresa en ºC^-1, aunque su valor es el mismo.

Ten muy presente que cuando queremos medir la dilatación en un líquido, hemos de tener en cuenta que el recipiente sólido en el que lo colocamos también se dilata.

CALORIMETRÍA

La Calorimetría es la parte de la física que se encarga de medir la cantidad de calor generada en ciertos procesos físicos o químicos.
El aparato que se encarga de medir esas cantidades es el calorímetro. Consta de un termómetro que esta en contacto con el medio que esta midiendo. En el cual se eencuentran las sustancias que dan y reciben calor. Las paredes deben estar lo más aisladas posible ya que hay que evitar al máximo elintercambio de calor con el exterior. De lo contrario las mediciones serían totalmente erróneas.
También hay una varilla como agitador para mezclar bien antes de comenzar a medir. Básicamente hay dos tipos de calorímetros. Los que trabajan a volúmen constante y los de presión constante.

La cantidad de calor que recibe o transmite un cuerpo esta determinada por la siguiente fórmula:

Q = m x Ce x (Tf – Ti)

Donde Q es el calor, m es la masa del cuerpo, Ce es el calor específico del cuerpo, que esta determinada por el material que lo compone. Y la vraiación de temperatura se representa por la diferencia entre Tf y Ti (temperatura final e inicial).

Cuando un cuerpo transmite el calor hay otro que lo recibe. Este es el principio del calorímetro. Ya que el termómetro determinara la temperatura final o también llamada de equilibrio. El líquido más usado es el agua que actúa como receptor de las calorías que transmite el cuerpo. El calor específico del agua es de 1cal /grs °C. Cuando el agua hierve o se congela este valor cambia a otros. Pero por ahora daremos ejemplos mientras este como agua líquida. Las unidades pueden variar. A veces podemos ver otras unidades como J/grs°C donde J es el joule en lugar de caloría. Ambas son unidades en las que se mide el calor.

Por ejemplo, si introducimos un trozo de cobre de 60 gramos a 100°C en 260 ml de agua a 18°C y tenemos que determinar la temperatura final del equilibrio podemos calcularla de la siguiente manera:

El calor que cede del cobre será igual al calor que recibe el agua. Por lo tanto:

- Q Cu = + Q H2O

El signo menos se le coloca al que desprende calor y el signo más al que absorve.

- masa Cu x Cecu x (Tf – 100°C) = masa H2O x CeH2O x (Tf – 18°C)

- 60 grs  x  (0,093 cal/°c.gr)  x  (Tf – 100°C)  =  260 grs  x  (1 cal/°c.gr)  x  (Tf – 18°C)

Solo queda despejar la Tf.

-5.58 cal/°C x (Tf – 100°C) = 260 cal/°C x (Tf – 18°C)

Aplicamos la propiedad distributiva:

-5.58 cal/°C Tf + 558 cal = 260 cal/°C Tf – 4680 cal

558 cal + 4680 cal = 260 cal/°C Tf + 5.58 cal/°C Tf

5238 cal = 265.58 cal/°C Tf

5238 cal / 265.18 cal/°C = Tf

19.72°C = Tf

          UNIDAD  DE LA CANTIDAD DE CALOR

Caloría: (cal) Es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua en un grado Celsius.
Kilogramo: (Kcal) Cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un kilogramo de agua a un grado Celsius (1 Kcal=1000 cal).
Unidad Térmica Británica:(Btu) Es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una libra patrón (Ib) de agua Fahrenheit.
Los resultados aceptados son:
1 Cal = 4.186 J
1 Kcal¨= 4186 J
1 Btu = 778 ft-Ib

CALORES ESPECIFICOS

Sustancias	J/Kg. C°	Cal/g. C° O
		Btu/Ib . F°
Acero	480	0.114
Agua	4186	1.00
Alcohol etílico	2500	0.60
Aluminio	920	0.22
Cobre	390	0.09
Hielo	2090	0.5
Hierro	470	0.11
Latón	390	0.09
Mercurio	140	0.03
Oro	130	0.3
Plata	230	0.056
Plomo	130	0.031
Termentina	1800	0.42
Vapor	2000	0.48
Vidrio	840	0.2
Zinc	390	0.09

     

PRINCIPIO DE LA FUSIÓN

LA FISIÓN NUCLEAR es una reacción en la cual un núcleo pesado, al ser bombardeado con neutrones, se convierte en inestable y se descompone en dos núcleos, cuyos tamaños son del mismo orden de magnitud, con gran desprendimiento de energía y la emisión de dos o tres neutrones.

Estos neutrones, a su vez, pueden ocasionar más fisiones al interaccionar con nuevos núcleos fisionables que emitirán nuevos neutrones y así sucesivamente. Este efecto multiplicador se conoce con el nombre de reacción en cadena. En una pequeña fracción de segundo, el número de núcleos que se han fisionado libera una energía un millón de veces mayor que la obtenida al quemar un bloque de carbón o explotar un bloque de dinamita de la misma masa.

Debido a la rapidez que tiene lugar una reacción nuclear, la energía se desprende mucho más rápidamente que en una reacción química.

Si se logra que sólo uno de los neutrones liberados produzca una fisión posterior, el número de fisiones que tienen lugar por segundo es constante y la reacción está controlada. Este es el principio de funcionamiento en el que está basado los reactores nucleares, que son fuentes controlables de energía nuclear de fisión.

FUSIÓN FRÍA

En 1989 los profesores de química Stanley Pons y Martin Fleishmam informaron de que Habían logrado la fusión fría en un ánodo de paladio.Debido a la mala exactitud de su informe,solo unos pocos científicos lograron imitar dicha fusión en un primer momento . Finalmente  la fusión fría se fue dejando y acabó convirtiendose un tema tabú.

Sin embargo, algunos científicos, con el tiempo, lograron los mismos resultados, y pese a que no tuvieron mucha resonancia en la comunidad, se han publicaron numerosos informes basados en experimentos de una calidad mas rigurosa y poco a poco las teorías vuelven a ser aceptadas por la comunidad científica de una forma más unánime.

Pese a estos datos ,todavía no se entiende todo lo que ocurre en el proceso de fusión fría.La cantidad de calor, la radiación detectada ,similares a la de la fusión convencional, hacen pensar que se produce algún tipo de fusión.Pero las cantidades de radiación y la relación de productos que se conocen de las reacciones de fusión caliente no se corresponden con la de este tipo.Por lo que se suele utilizar el nombre de fusión baja.

EL PROCESO DE FUSIÓN FRÍA

Todavía no existe un modelo totalmente desarrollado para la fusión fria. La hipótesis detrás del fenómeno son simples: Todas las partículas se comportan de acuerdo a las leyes de la mecánica cuántica. Estas leyes dicen que las coordenadas y el estado de la energía en una partícula en un punto en el tiempo determinan la probabilidad de encontrar una partícula en un lugar con las coordenadas dadas en otro punto de tiempo,pese a que el lugar exacto no se puede predecir.Por lo que algunos lugares son muy probables y otros altamente improbables, pero no se puede saber con exactitud y puede estar en cualquier lugar.

El comportamiento mecánico cuántico cambia su posición todo el tiempo y aveces las fuerzas nucleares reaccionan.
De acuerdo a la norma esto no peude ser detectado.Y si que lo hace, por lo que puede que la teoría estandar no este completa o no se a aprendido a usar de forma correcta.El aparato matemático es tan complicado que es imposible predecir lo que puede suceder sin haber estudiado y analizado rigurosamente las ecuaciones.

La fusión fría difiere en muchos aspectos de la fusión caliente.Es dificil producir la fusión caliente si no es en un deuterio y un nucleo de tritio.Mediante la fusión fría, dos núcleos de deuterio son fácilmente fusibles en helio, e incluso la fusión de los nucleos de hidrógeno.
La producción de neutrones, el trítio, protones y la radiación gamma han sido provocados por la fusión fría.Pero no en la candidad que la fusión estadar

SOLIDIFICACIÓN

La solidificación es un proceso que se logra de modo inverso a la fusión, y que se produce por el enfriamiento de los líquidos. El punto de fusión que es aquella temperatura por la cual el sólido pasa al estado líquido, es el mismo punto en que se produce el proceso inverso de solidificación. En el agua ocurre a 0º C.

Se trata de un proceso físico que generalmente implica una disminución del volumen del cuerpo, salvo en el agua, que aumenta su volumen al solidificarse.

Al sustraerse calor al líquido éste irá disminuyendo su temperatura, las partículas que lo componen tendrán cada vez menos movimiento, hasta que se ordenan, tomando una posición en la estructura cristalina. Ese es el momento en que se opera la solidificación, y el líquido perderá su capacidad de fluir.

También puede ocurrir la solidificación de metales, dentro de la fabricación de productos con esos materiales, para darles forma. Primero el metal se calienta para pasarlo al estado líquido, y luego se le retira energía para que solidifique dentro de moldes, y vuelva a su estado sólido original. La temperatura va a ir disminuyendo en forma uniforme y continua hasta que comienza la solidificación.

Los metales puros, que requieren una temperatura constante para su solidificación, pasan por varias etapas antes de solidificarse. La primera es la nucleación, donde solo se solidifican ciertos puntos específicos, formándose granos finos. Cuando se amplía esta solidificación formándose dendritas o cristales, estamos en la etapa de cristalización. Estas dendritas se van ampliando hasta que todo el material se solidifica, formando los límites de grano en las regiones de encuentro.

En las aleaciones, la solidificación no ocurre a temperaturas constantes, sino en intervalos de temperaturas.

LA EVAPORARIZACION Y EBULLICIÓN

La vaporización es el nombre que recibe el proceso en el cual un fluido pasa del estado líquido al gaseoso, es decir, como consecuencia de la acción del calor sobre el líquido en cuestión es que el líquido asumirá el estado de gaseoso.

Existen dos tipos de vaporización, la ebullición y la evaporación.

La ebullición se producirá cuando el mencionado cambio de estado se produce por el aumento de la temperatura que se experimenta en el interior del líquido; cabe destacar, que el momento clave de ebullición se plantea en la instancia en la que la temperatura ocasiona que cualquier líquido hierva, y a partir de ella permanecerá constante todo el tiempo que dure el proceso de ebullición.

Si en una olla a presión colocamos agua y luego la colocamos en el fuego, antes de que se produzca el hervor, el agua se calentará unos 120° y 130 ° por la mayor presión que ejercen los gases en su interior. Es como consecuencia de este aumento de temperatura que la cocción de la comida se produce más rápido. En tanto, si al agua le agregamos aditivos podremos aumentar o disminuir el punto de ebullición. Cabe destacar, que el proceso de ebullición ha sido usado tradicionalmente como el método por excelencia para esterilizar el agua, dado que la mayoría de los microorganismos mueren indefectiblemente al llegar el agua al mencionado punto.

Y por su lado la evaporación, se caracteriza porque el mencionado cambio de estado de líquido a gaseoso se produce únicamente en la superficie del líquido y a cualquier temperatura, aunque, el mismo será más rápido cuanto mayor sea la temperatura. Por ejemplo, al servir una taza de té con agua hervida, es posible ver como el agua se condensa en pequeñas gotas visibles, también, el vapor de agua al condensarse se convierte en nubes.

LA PROPAGACIÓN DEL CALOR

es el proceso mediante  el cual se intercambia energía en forma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que tienen diferente temperatura.

Existen tres formas de propagación del calor que son por: conducción, convección y radiación y que a veces puede producirse en forma combinada.

1.-Conducción

Esta forma de propagación se da en los sólidos, cuando se aplica calor a un objeto sólido, la zona donde absorbe calor se calienta y sus partículas adquieren mayor movilidad que el resto del cuerpo y cada partícula transmite el calor a las partículas vecinas, con el cual el calor acaba por propagarse por todo el objeto.

Ejemplos:

• Utensilios metálicos para cocinar, como por ejemplo una olla de acero. Esta recibe el calor en la base y luego se propaga por toda la olla. Es por ello que las asas tienen que ser de un material aislante como madera o plástico, para no sufrir quemaduras.
• Tenemos un vaso de leche que está muy caliente. En su interior se introduce una cuchara. Al pasar un rato, si se toca la cuchara que se encuentra en su interior, se nota que se va calentando cada vez más. Esta transferencia de calor se ha producido desde una sustancia, que es la leche, hasta un cuerpo, que es la cuchara.

2.-Convección

La propagación del calor por convección se da en los líquidos y en los gases. Es decir cuando calentamos un líquido o un gas en un recipiente, las primeras partículas en calentarse son las del fondo, por la que parte del  líquido o del gas del fondo se dilata y disminuye su densidad y al ocurrir esto esta parte del líquido o gas asciende por el recipiente y la parte  del líquido o gas que estaba encima baja para ocupar el espacio dejado, originándose las llamadas corrientes de convección que van calentando todas las sustancias del recipiente.

Ejemplos :

• El aire por convección origina los vientos.
• Si se coloca una espiral de cartulina, en un soporte universal y se sopla desde abajo hacia arriba se puede apreciar cómo esta comienza a girar alrededor del punto donde se apoya.  También si se coloca una vela encendida o cualquier otra fuente de calor debajo del espiral, esta gira porque el aire que se calienta, asciende y esto se demuestra porque se pone en movimiento la espiral, igual que cuando se soplaba desde abajo hacia arriba. Por tanto, se producen corrientes de aire caliente que suben y de aire frío que baja.

3.-Radiación

La radiación es la propagación del calor que tiene lugar sin el apoyo del ningún medio material.

Ejemplos:

• Los radiadores
• Las aguas del mar reciben la radiación del sol por eso logran evaporarse.
• Los panaderos, cuando van a sacar el pan del horno, están recibiendo el calor procedente de este, por radiación.
• Los obreros metalúrgicos reciben mucho calor procedente de los altos hornos en que se funden los metales y ese calor les llega por radiación.
•  En sus hogares, cuando mamá está cocinando, recibe por radiación el calor procedente de la cocina, puesto que no está situada encima de la fuente de calor, ni en contacto directo con ella, sino delante de las hornillas.

ELEQUIVALENTE MECÁNICO DEL CALOR.

Históricamente se tardó bastante tiempo en comprender cuál es la naturaleza del calor. En un primer momento se pensaba que el calor era un fluido (denominado calórico) que impregnaba los cuerpos y era responsable del calor que éstos intercambiaban al ser puestos en contacto.

En el siglo XIX, Joule ideó un experimento para demostrar que el calor no era más que una forma de energía, y que se podía obtener a partir de la energía mecánica. Dicho experimento se conoce como experimento de Joule para determinar elequivalente mecánico del calor.

Antes del experimento de Joule se pensaba que calor y energía eran dos magnitudes diferentes, por lo que las unidades en que se medían ambas eran también distintas. La unidad de calor que se empleaba era la caloría.

                                                                                                                           

Una caloría es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua destilada desde 14.5ºC a 15.5ºC..

Con su experimento, Joule se propuso demostrar que se podía elevar la temperatura del agua transfiriéndole energía mecánica. El aparato que empleó se muestra en la siguiente figura. En el interior de un recipiente se introduce 1 kg de agua a 14.5 ºC.

Al recipiente se le acoplan unas paletas conectadas mediante una cuerda con una masa que puede caer. Conforme la masa cae a velocidad constante, las paletas giran, por lo que se convierte la energía potencial gravitatoria de la masa en energía para hacer girar las paletas. Debido a este giro, el agua aumenta de temperatura (el giro de las paletas se transforma en calor).

Lo que encontró Joule fue que, para elevar la temperatura del kilogramo de agua hasta 15.5ºC (es decir, para conseguir una energía de 1000 calorías), la energía potencial de la masa debía disminuir en 4180 Julios. Por tanto, la equivalencia entre unidades de calor y energía es:

El descubrimiento de Joule llevó a la teoría de la conservación de la energía lo que a su vez condujo al desarrollo del primer principio de la Termodinámica.

La primera ley de la termodinámica establece que  la energía no se crea, ni se destruye, sino que se conserva. Entonces esta ley expresa que, cuando un sistema es sometido a un ciclo termodinámico, el calor cedido por el sistema será igual al trabajo recibido por el mismo, y viceversa.

Es decir Q = W, en que Q es el calor suministrado por el sistema al medio ambiente y W el trabajo realizado por el medio ambiente al sistema durante el ciclo.

Un ejemplo sencillo seria: Al remover con un taladro el agua contenida en un recipiente, le estamos aplicando trabajo, que es igual al calor que este emite al medio ambiente al calentarse. En este caso, el sistema puede ser el agua, el medio sería el taladro, el aire circundante y todo lo que está fuera del sistema que no sea agua (pues lo que está afuera recibirá calor del sistema).

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La primera ley para un sistema

En este caso, el sistema podría ser el agua contenida en un recipiente, y el medio ambiente todo lo que rodea el recipiente, que serian desde la cocina en donde descansa el recipiente con agua hasta el quemador que le suministra calor, en fin, la atmósfera y todo lo que esté fuera del recipiente.

Supongamos que encima de este recipiente colocamos una tapa, únicamente usando su peso. Supongamos además que al recipiente se le suministra calor del quemador de la cocina que lo contiene. A medida que el agua empieza a hervir, la tapa empieza a moverse cada vez más rápidamente. El movimiento de la tapa es entonces el desplazamiento que representa el trabajo realizado por el sistema  sobre el medio ambiente. 

La energía interna 

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Cuando el agua está hirviendo, hace que la tapa del recipiente realice el trabajo. Pero esto lo hace a costa del movimiento molecular, lo que significa que no todo el calor suministrado va a transformarse en trabajo, sino que parte se convierte en incremento de la energía interna, la cual obedece a la energía cinética de traslación, vibración y potencial molecular. Por lo que la fórmula anterior que mencionamos también tendría que incluir a la energía interna. 

 

Formulación de la primera ley para un sistema

La primera ley expresa que el calor, suministrado por el medio ambiente (el quemador de la cocina) a un sistema (el agua contenida en el recipiente) es igual al cambio de la energía internaen el interior del liquido (agua en este caso) sumada al trabajo que el agua realiza cuando al hervir mueve la tapa contra el medio ambiente. 

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Por lo tanto: el calor cedido por el medio al sistema será igual a la variación de la energía interna en el interior del sistema (agua) más el trabajo realizado por el sistema sobre el medio.

 

Signos del calor y el trabajo

Si el medio suministra calor sobre el sistema, el calor será positivo y si recibe calor del sistema será negativo. Si el medio realiza trabajo sobre el sistema, el trabjo será negativo y si recibe trabajo de parte del sistema, el trabajo será positivo.

Ley de conservación 

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La primera ley de la termodinámica es entonces la ley de conservación de la energía, que asegura que la energía no se crea, ni se destruye, sino que se conserva.

Esta ley ha sido confirmada en numerosos e interminables experimentos y hasta hoy no ha habido uno solo que la contradiga. Por esto cuando una persona como Stephen Hawking busca explicar un fenómeno físico, debe asegurarse de que sus conclusiones no violen la primera ley de la termodinámica.