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Primera Ley de la Termodinámica
Ecuación
La primera ley de la termodinámica establece que la energía se conserva, es decir, que el diferencial de la energía interna ($dU$) siempre es igual a el diferencial inexacto del calor ($\delta Q$) suministrado al sistema (positivo) menos el diferencial inexacto del trabajo ($\delta W$) realizado por el sistema (negativo).
Por lo tanto, tenemos:
 $ dU = \delta Q - \delta W $ |
Mientras que el diferencial exacto no depende de cómo se ejecuta la variación, el diferencial inexacto sí lo hace. Cuando nos referimos a un diferencial sin especificar que es inexacto, se asume que es exacto.
ID:(9632, 0)
Presión y trabajo
Ecuación
En mecánica, la energía se define como el producto de la fuerza por la distancia recorrida. Sin embargo, al trabajar con gases, resulta más práctico utilizar la presión. Dado que la presión representa la fuerza por unidad de superficie, se puede demostrar que el trabajo realizado, el diferencial inexacto del trabajo ($\delta W$), es igual a la presión, la presión ($p$), multiplicada por la variación de volumen, la variación del volumen ($dV$):
| $ \delta W = p dV $ |
Dado que la fuerza mecánica ($F$) dividida por la sección ($S$) es igual a la presión ($p$):
| $ p \equiv\displaystyle\frac{ F }{ S }$ |
y la variación del volumen ($dV$) con el camino recorrido ($dx$) es igual a:
| $ dV = S ds $ |
La ecuación para el diferencial inexacto del trabajo ($\delta W$) se puede expresar como:
| $ \delta W = F dx $ |
Así que puede ser escrita como:
| $ \delta W = p dV $ |
La variación del trabajo se representa con el símbolo delta $\delta$ ($\delta W$) en lugar de la letra d ($dW$), lo cual nos recuerda que su valor depende del proceso de variación del volumen, $dV$. Un ejemplo de esto sería si el gas experimenta un cambio durante su desplazamiento y, en tal caso,
$\delta W < pdV$
ID:(3468, 0)
Segunda ley de la termodinámica
Ecuación
La segunda ley de la termodinámica establece que no es posible convertir por completo la energía el diferencial de la energía interna ($dU$) en trabajo útil el diferencial inexacto del trabajo ($\delta W$). La diferencia entre estas cantidades se relaciona con la energía no aprovechable el diferencial inexacto del calor ($\delta Q$), que corresponde al calor generado o absorbido en el proceso la temperatura absoluta ($T$).
En el caso de el diferencial inexacto del trabajo ($\delta W$), existe una relación entre la variable intensiva la presión ($p$) y la variable extensiva el volumen ($V$), expresada como:
| $ \delta W = p dV $ |
Una variable intensiva se caracteriza por definir el estado del sistema y no depender del tamaño del mismo. En este sentido, la presión ($p$) es una variable intensiva, ya que describe el estado de un sistema independientemente de su tamaño. Por otro lado, una variable extensiva, como el volumen ($V$), aumenta con el tamaño del sistema.
En el caso de el diferencial inexacto del calor ($\delta Q$), se necesita una variable extensiva adicional que complemente la variable intensiva la temperatura absoluta ($T$) para definir la relación como sigue:
| $ \delta Q = T dS $ |
Esta nueva variable, que llamaremos la entropía ($S$), se presenta aquí en su forma diferencial (la variación de la entropía ($dS$)) y modela el efecto de que no toda la energía el diferencial de la energía interna ($dU$) puede convertirse completamente en trabajo útil el diferencial inexacto del trabajo ($\delta W$).
ID:(9639, 0)
Energía Interna: Relación diferencial
Ecuación
Como el diferencial de la energía interna ($dU$) depende de el diferencial inexacto del calor ($\delta Q$), la presión ($p$) y la variación del volumen ($dV$) según la ecuación:
| $ dU = \delta Q - p dV $ |
podemos reemplazar el diferencial inexacto del calor ($\delta Q$) por la expresión de la segunda ley de la termodinámica en función de la temperatura absoluta ($T$) y la variación de la entropía ($dS$), lo que resulta en la expresión para el diferencial de la energía interna ($dU$):
| $ dU = T dS - p dV $ |
Dado que el diferencial de la energía interna ($dU$) depende de el diferencial inexacto del calor ($\delta Q$), la presión ($p$) y la variación del volumen ($dV$) según la ecuación:
| $ dU = \delta Q - p dV $ |
y la expresión de la segunda ley de la termodinámica con la temperatura absoluta ($T$) y la variación de la entropía ($dS$) como:
| $ \delta Q = T dS $ |
podemos concluir que:
| $ dU = T dS - p dV $ |
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