Q8.2. Primera ley de la termodinámica
La primera ley expresa conservación de la energía en sistemas químicos. Permite conectar calor, trabajo y cambio de energía interna sin confundir transferencia con contenido.
Objetivos de aprendizaje
- Aplicar Delta U = q + w con convención de signos.
- Calcular trabajo de expansión-compresión.
- Relacionar U, H, Cv y Cp.
- Comparar procesos reversibles, irreversibles, isotérmicos y adiabáticos.
Mapa del capítulo
Energía interna
La energía interna U reúne energías microscópicas de traslación, rotación, vibración, interacciones y enlaces. No se mide su valor absoluto en química ordinaria; se miden cambios. La primera ley se escribe Delta U = q + w si q y w son energía que entra al sistema. Calor es transferencia por diferencia de temperatura; trabajo es transferencia por fuerzas macroscópicas, como presión-volumen.
Trabajo presión-volumen
Para un gas que cambia de volumen, w = - integral Pext dV con la convención química frecuente. Si el sistema se expande, dV > 0 y w es negativo: el sistema hace trabajo. Si se comprime, w es positivo. En expansión contra presión externa constante, w = -Pext Delta V. En expansión reversible isotérmica de gas ideal, w = -nRT ln(V2/V1).
Entalpía y capacidades caloríficas
La entalpía se define H = U + PV. A presión constante y con solo trabajo PV, el calor intercambiado es qp = Delta H. A volumen constante, qv = Delta U. Las capacidades caloríficas Cv y Cp miden cuánta energía se requiere para elevar la temperatura: dU = Cv dT para gas ideal a volumen constante y dH = Cp dT a presión constante.
Procesos especiales
En un proceso isotérmico de gas ideal, Delta U = 0 porque U depende solo de T; entonces q = -w. En un adiabático, q = 0 y Delta U = w. Reversible no significa lento solamente: significa que el sistema pasa por estados de equilibrio y una perturbación infinitesimal puede invertir el proceso. Los procesos reales suelen ser irreversibles.
Ejemplo trabajado de lectura fisicoquímica
Un mol de gas ideal se expande isotérmicamente de 10 L a 20 L a 298 K de forma reversible: w = -nRT ln 2. Como Delta U = 0, el calor absorbido tiene igual magnitud y signo opuesto.
Errores frecuentes y cómo evitarlos
| Error | Corrección conceptual |
|---|---|
| Decir que un cuerpo contiene calor | El sistema contiene energía interna; calor es transferencia. |
| Olvidar el signo de expansión | Con convención química, expansión da w negativo. |
| Usar Delta H para todo proceso | Delta H coincide con qp solo bajo condiciones específicas. |
Autoevaluación
- Calcula w para expansión contra presión constante.
- Explica por qué Delta U = 0 en isotérmico ideal.
- Distingue qv y qp.