Primera ley de la termodinámica: ley de conservación de la energía

Publicado el 7 septiembre, 2020 por Rodrigo Ricardo

Primera ley de la termodinámica: ley de conservación de la energía

¿Alguna vez te has preguntado qué pasa con la madera cuando se quema? Parece como si la madera pudiera desaparecer en el aire. Si bien la quema de madera parece crear energía y destruir la madera, no se crea ni se destruye. Más bien, la energía y la materia están cambiando de una forma a otra. La madera contiene lo que llamamos energía potencial química , que es energía almacenada en los enlaces que mantienen unidos a los productos químicos. Esta energía almacenada se libera en forma de calor y luz cuando se quema la madera.

La madera también contiene materia , que es cualquier cosa que tenga masa y ocupe espacio (volumen). La materia dentro de la madera se transforma en materia diferente, incluidas cenizas y hollín, a medida que se quema. La cantidad total de energía y materia en la madera antes de quemarla es igual a la energía y materia de la ceniza, el hollín, el calor y la luz después de la quema. En otras palabras, la energía y la materia se conservan durante y después de que se quema la madera.


Al quemar madera, la energía y la materia se conservan y se transforman en diferentes formas.
La energía y la materia se conservan

Este fenómeno de conservación se explica por lo que llamamos la primera ley de la termodinámica , a veces denominada ley de conservación de la energía . La ley establece que la energía no se puede crear ni destruir. La energía se puede describir como la capacidad de realizar un trabajo, donde el trabajo es el movimiento de la materia cuando se le aplica una fuerza. Con el ejemplo de la quema de madera, la energía que vemos en forma de fuego no se crea de la nada, sino que proviene de la energía que se almacena en la madera. Asimismo, la madera no se destruye sino que se convierte en ceniza y hollín.

Para comprender mejor la ley de conservación de energía, debemos considerar el hecho de que se aplica a los sistemas. Un sistema es simplemente una colección de componentes que forman un todo. La quema de madera es un sistema que incluye la madera, el calor, las cenizas y el hollín. El universo es el sistema más grande que conocemos e incluye toda la materia y toda la energía, incluida la madera en llamas de la que estamos hablando. Hay otros ejemplos de sistemas pequeños. Por ejemplo, puede considerar su cuerpo como un sistema. Cuando esté cocinando, también puede considerar una olla de agua en la estufa como un sistema.

Ahora que tenemos una buena comprensión de los sistemas, consideremos la diferencia entre un sistema abierto y uno cerrado y analicemos la ley de conservación de energía que se aplica a cada uno. Un sistema cerrado es un sistema en el que no se permite la entrada o salida de materia o energía. La primera ley de la termodinámica nos dice que la cantidad de energía dentro de cualquier sistema cerrado es constante, no cambia.

Un sistema abierto , por otro lado, permite que las cosas entren y salgan, como quemar leña en una chimenea. Aquí, puede agregar leña a la chimenea y encenderla con un fósforo, digamos, de su bolsillo. El calor, las cenizas y el hollín pueden salir de la chimenea a medida que arde el fuego. En otras palabras, la energía y la masa pueden entrar y salir de un sistema siempre que provengan de un sistema o salgan para ir a otro sistema. Sin embargo, es importante señalar que la masa y la energía totales de nuestro universo permanecen constantes.

Dado que la mayoría de los sistemas no están cerrados, la ley de conservación de energía puede reformularse para decir que el cambio en la energía interna del sistema es igual a la diferencia entre la cantidad de energía que entra menos la cantidad de energía que sale. En otras palabras, la cantidad de energía en un sistema puede cambiar, pero solo si proviene de otro sistema o va a otro sistema.

En cualquier caso, los sistemas, ya sean abiertos o cerrados, no crean ni destruyen energía. Más bien, la energía puede entrar de un sistema y salir a otro. La energía que ingresa a un sistema debe almacenarse allí o salir. Un sistema no puede gastar más energía de la que contiene sin recibir energía adicional de una fuente externa.

Aplicación de la Primera Ley de la Termodinámica

Ahora que entendemos que la energía se conserva dentro de un sistema, consideremos algunas aplicaciones prácticas de la ley. En otras palabras, ¿qué hace por mí? ¿Cómo nos ayuda entender la ley de conservación?


La razón por la que las máquinas necesitan un aporte constante de energía para funcionar es que se pierde algo de energía debido a la fricción.
Energía perdida por fricción

¿Alguna vez has oído hablar de una máquina de movimiento perpetuo? Tal máquina continuaría funcionando sin ningún aporte de energía. Nunca se ha construido una máquina así y, de acuerdo con la ley de conservación de energía, nunca se construirá. Toda máquina requiere el aporte continuo de energía para seguir funcionando. El tipo de energía que proporciona la entrada puede variar, incluido el sol para la energía solar, el viento para mover un molino de viento, el agua que fluye sobre la presa, la descomposición de sustancias químicas como la gasolina para hacer funcionar nuestros automóviles o la descomposición de sustancias químicas en los alimentos que comemos. pedalear una bicicleta. Una bicicleta realmente buena puede deslizarse en terreno llano durante mucho tiempo, pero eventualmente se detendrá a menos que alguien pedalee la bicicleta.

Entonces, ¿cómo nos ayuda la ley de conservación de energía a explicar por qué las máquinas dejarán de funcionar si no se pone energía en el sistema? Al principio, la ley de conservación de energía puede parecer que no se aplica a las máquinas porque tenemos que agregar energía constantemente. Entonces parece que la energía no se está conservando. Pero, por el contrario, la ley se aplica absolutamente y, de hecho, se aplica a todas las máquinas y a todos los sistemas.

Cada vez que una máquina funciona, se pierde algo de energía en lo que llamamos fricción . La fricción es calor generado por objetos en movimiento en contacto entre sí. No importa qué tan bien lubricadas estén las ruedas de una bicicleta, por ejemplo, cada bicicleta perderá energía debido a la fricción a medida que se mueva. Esta energía perdida por fricción tiene que provenir de algún lugar de acuerdo con la ley de conservación de energía, y de hecho lo hace. Proviene de la energía del sistema; en este caso, el sistema es la bicicleta que se desplaza. Con el tiempo, toda la energía de la bicicleta que se desplaza se perderá debido a la fricción y la bicicleta se detendrá. ¿Lo ves? Se aplica la ley.

La ley de conservación de energía se aplica a toda la materia y energía en cada sistema, sin importar las condiciones. Como es una ley, asumimos que es cierta en todos los casos, incluso si nuestras observaciones no parecen coincidir con la ley. Si no es así, asumimos que no estamos contabilizando alguna forma de energía. Esta suposición nos ha ayudado a descubrir nuevas formas de energía.

Resumen de la lección

La cantidad de energía y masa del universo es constante. Ha sido lo mismo desde el principio de los tiempos. La energía se puede cambiar de una forma a otra, pero no se puede crear ni destruir. La energía se puede mover de un sistema a otro, pero no se puede crear de la nada. Asimismo, un sistema no puede destruir energía; más bien, la energía se puede transferir a otro sistema.

Todas las máquinas, ya sean naturales o artificiales, requieren una fuente de energía para seguir funcionando. Mientras se suministre esta energía, la máquina puede seguir funcionando. Sin embargo, cuando se elimina la fuente de energía, la máquina finalmente se detendrá. La máquina se detiene por fricción . La fricción, nuevamente, es el calor generado debido a los objetos en movimiento en contacto entre sí. Este principio se conoce como la primera ley de la termodinámica o la ley de conservación de energía . La ley se aplica a todos los sistemas, tanto grandes como pequeños, y, nuevamente, establece que la energía no se puede crear ni destruir.

Los resultados del aprendizaje

Después de ver esta lección, debería poder:

  • Definir energía y sistema
  • Explica la primera ley de la termodinámica.
  • Diferenciar entre un sistema cerrado y un sistema abierto
  • Comprender cómo se aplica la primera ley de la termodinámica a las máquinas.

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