Fundamentos de la Termodinámica: Sistemas, Variables de Estado y el Primer Principio

Introducción a la Termodinámica

La termodinámica es la ciencia que estudia las transformaciones energéticas y la formulación de sus leyes.

Componentes de un Sistema Termodinámico

Un sistema termodinámico está compuesto por:

• Sistema: Parte del universo que se aísla para su estudio.
• Entorno o Ambiente: Es todo lo que rodea al sistema, pudiendo estar relacionado o no con él.

• Variables (o Funciones) de Estado: Son aquellas variables que poseen la cualidad de que su valor depende exclusivamente del estado en que se encuentra el sistema y no de los pasos intermedios por los que este evoluciona. Ejemplos clave incluyen: el volumen, la energía interna, la entropía, la entalpía, la presión y la temperatura.

  Su valor en un momento dado es independiente del mecanismo o camino que siga el proceso cuando se pasa de un estado inicial a otro final. Las variaciones de estas funciones también son funciones de estado, ya que solo dependen del estado inicial y final del sistema, sea cual fuere el camino de la transformación.

Clasificación de los Sistemas Termodinámicos

Los sistemas se clasifican en función de su intercambio de materia y energía con el ambiente:

• Sistemas Abiertos: Intercambian materia y energía con el ambiente.
• Sistemas Cerrados: No intercambian materia con el ambiente, pero sí intercambian energía.
• Sistemas Aislados: No intercambian ni materia ni energía con el ambiente.

El Primer Principio de la Termodinámica (Conservación de la Energía)

El primer principio establece que la energía puede convertirse de una forma en otra, pero nunca puede ser creada ni destruida. Esto significa que la energía total de un sistema y su entorno permanece constante.

Aplicación en Reacciones Químicas

En el caso de las reacciones químicas, la energía de los productos de la reacción más la energía liberada en la reacción misma es igual a la energía inicial de las sustancias reaccionantes.

Enunciado y Formulación Matemática

El primer principio explica cómo los intercambios de calor y trabajo afectan la energía global de un sistema a través del enunciado:

La variación de la energía interna de un sistema es igual a la suma del calor y el trabajo que intercambia con su entorno.

Matemáticamente se escribe así:

ΔU = Q + W

Definición de Componentes de la Ecuación

Energía Interna (U)

Es la suma de todas las energías (de traslación, de rotación, de vibración, electrónica y nuclear) de las moléculas que conforman el sistema.

Calor (Q)

Es la energía transferida entre un cuerpo macroscópico y su entorno como consecuencia exclusiva de la diferencia de temperaturas entre ellos.

Trabajo (W)

Es la energía transferida entre un cuerpo macroscópico y su entorno por la acción de fuerzas mecánicas, eléctricas, etc., que desplazan partes del exterior. En esta transferencia interviene el movimiento organizado y dirigido de las moléculas del entorno.