Fundamentos de la Termodinámica: Energía Interna, Primer Principio y Entropía

ENERGÍA INTERNA Aquí se puede definir la energía interna
U, q será la suma de las energías cinética y potencial de interacción de todas las moléculas del sistema.
El valor de la energía interna de un gas ideal contenido en un volumen V se puede expresar en función de sus variables termodinámicas. En un gas ideal despreciados la interacción entre las moléculas. Por lo tanto la energía interna será simplemente la suma de las energías cinéticas de todas las partículas. El valor medio de la energía cinética esta relacionado con la temperatura 1/2.K.T esto se conoce como el principio de equipartición de la energía. Si el gas es monoatómico se multiplica por 3 la anterior ecuación y si no lo es por 5 q son los grados de libertad. Observamos una propiedad muy importante q se conoce como Ley de Joule:
La energía interna de los gases perfectos depende solamente de la temperatura.

PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA Como consecuencia del principio de conservación de la energía interna de un sistema aislado permanece cte. Si no es aislado el primer principio de la termo es un balance de energías: si la energía interna de un sistema cambia es simplemente porq ha sido intercambiada con el exterior. Hemos visto q el Estado de un sistema termo y su energía interna cambia n tanto cuando el sistema realiza trabajo como cuando lo ponemos contacto con otro sistema térmico. ∆E=∆Ec+∆Ep interna=WFexternas. Si keremos usar esta expresión en sistemas termo, tenemos q suprimir lo efectos por contacto térmico aislando el sistema adiabática mente. En este no existen transferencias de energía entre el ambiente y el sistema por lo tanto todo el cambio de energía es por el trabajo. ∆U=-Wadiabatico. Si el sistema no está aislado adiabáticamente la energía puede transferirse por las paredes. En las comisiones con la pared las partículas del sistema más caliente dan parte de su energía al más frío hasta alcanzar un equilibrio térmico. A esta transferencia a de energía se le llama calor y es positivo cuando el sistema gana energía debido al contacto térmico. El primer principio de la termo: ∆U=Q-W. Q y W dependen del tipo de proceso q lleva al sistema del Estado inicial al final pero ∆U es independiente del proceso. Las funciones q solo dependen del Estado termo y no de como se ha alcanzado este, se denominan función de Estado como la energía interna

ENTROPÍA

La termo se ocupa de sistemas macroscopicos. Existe una relación entre las variables termo de un sistema en equilibrio y los posibles Estados microscópicos del sistema. Las variables termo están relacionadas con los valores de las magnitudes microscópicas, siempre q el sistema se encuentre en equilibrio. Cuando un sistema esta en equilibrio, su Estado termo no cambia y por tanto las variabkes termo permanecen ctes. El peso estadístico el el número de Estados microscópicos compatibles con un Estado termo dado. Es útil crear una nueva función de Estado relacionada directamente con el peso estadístico, la entropía del sistema termo: S=kb.Ln de omega donde kb es la cte de Boltzmann. Cuando el equilibrio es perturbado el Estado del sistema cambia hasta alcanzar otro equilibrio. Las funciones de Estado no cambian. En la expansión libre, N moléculas de un gas q inicialmente ocupa un volumen V se expanden hasta ocupar un volumen Mayo V'. Todos los estados en los q las moléculas ocupan solamente V siguen siendo posibles, pero ahora hay otros muchos estados tambn compatibles. Por tanto en la expansión libre de un gas ideal el peso estadístico aumenta. Como la entropía esta directamente relacionada con el peso estadístico se puede enunciar el segundo principio de la termo: en todos los procesos físicos posibles, la entropía de un sistema físico siempre aumenta. ∆S de un sistema aislado > 0. Si no está aíslado su entropía puede disminuir pero siempre a costa de un aumento de la entropía del ambiente. Para calcular la entropía se introduce el concepto de proceso reversible e irreversible ya q con el peso estadístico es muy difícil.