Primera ley de la termodinámica: definición y conservación de la energía
Primera ley de la termodinámica: definición clara, ejemplos y aplicaciones sobre la conservación y transferencia de la energía en física y la vida cotidiana.
La primera ley de la termodinámica establece que la energía no puede crearse ni destruirse, pero sí modificarse. Esta ley constituye la base del principio de conservación de la energía. Significa que cualquier proceso que implique intercambio energético transforma la energía de una forma a otra: por ejemplo, hacer ejercicio cambia la energía de los alimentos en energía cinética (movimiento) y calor. La energía no desaparece; se conserva globalmente. No existen dispositivos reales que creen energía de la nada (los llamados motores de movimiento perpetuo violarían la primera y/o la segunda ley de la termodinámica).
En contextos cotidianos y en mecánica clásica se reconocen muchas formas de energía: el calor, la luz, la energía cinética (movimiento) y la energía potencial. En la física moderna se incorpora además la equivalencia masa‑energía (E = mc²), por lo que la masa puede considerarse una manifestación de energía de reposo, sin que ello suprima la utilidad práctica de distinguir diferentes formas de energía según el contexto y la escala.
La ley implica que la energía total de un sistema aislado —y, por extensión, del universo considerado como sistema aislado— es constante, aunque la energía pueda transferirse entre partes del sistema y cambiar de forma.
Formulación matemática
La expresión más habitual de la primera ley para un sistema cerrado (sin intercambio de masa) es:
ΔU = Q − W
- ΔU: variación de la energía interna del sistema.
- Q: calor añadido al sistema (positivo si entra calor).
- W: trabajo realizado por el sistema sobre el entorno (positivo si el sistema realiza trabajo).
Con otra convención de signos (W = trabajo realizado sobre el sistema), la fórmula se escribe ΔU = Q + W. Es importante aclarar la convención de signos al aplicar la ley.
Interpretación microscópica y tipos de transferencia
Desde un punto de vista microscópico, la energía interna U es la suma de las energías cinética y potencial de las partículas que componen el sistema (movimientos moleculares, interacciones, enlaces químicos, etc.).
- Calor (Q): transferencia de energía debida a una diferencia de temperatura entre el sistema y su entorno; es un intercambio desordenado a escala microscópica.
- Trabajo (W): transferencia de energía asociada a fuerzas macroscópicas que producen desplazamientos ordenados (por ejemplo, expansión de un gas en un pistón, trabajo eléctrico, trabajo por fricción, etc.).
Ejemplos de procesos termodinámicos
- Proceso isocórico (volumen constante): W = 0, por lo que ΔU = Q. El calor aportado cambia únicamente la energía interna y por tanto la temperatura.
- Proceso isobárico (presión constante): parte del calor aumenta U y parte realiza trabajo de expansión; se usa con frecuencia la entalpía para describir la energía intercambiada con flujo de masa.
- Proceso isotérmico (temperatura constante): para un gas ideal ΔU = 0, por lo que Q = W (todo el calor recibido se transforma en trabajo o viceversa).
- Proceso adiabático: Q = 0, por lo que ΔU = −W (la energía interna cambia solo por trabajo).
Alcance y extensiones
La primera ley se aplica a sistemas cerrados e abiertos. En volúmenes de control con entrada y salida de masa (turbinas, bombas, intercambiadores), además del calor y el trabajo hay que considerar la energía transportada por la masa (energía interna, cinética, potencial y entalpía asociada al flujo). En ingeniería se usa la ecuación de energía de flujo estacionario para estos casos.
En un sentido más fundamental, la conservación de la energía está relacionada con la simetría temporal de las leyes físicas (teorema de Noether): si las leyes de la física no cambian en el tiempo, existe una cantidad conservada llamada energía.
Limitaciones prácticas
- La primera ley no dice nada sobre la dirección espontánea de los procesos; para eso se requiere la segunda ley de la termodinámica (entropía).
- En sistemas abiertos hay que ser cuidadoso al contabilizar todas las formas de energía (incluida la energía de masa en contextos relativistas si es relevante).
En resumen: la primera ley de la termodinámica es la expresión cuantitativa del principio de conservación de la energía. Permite escribir balances energéticos que describen cómo la energía se intercambia y se transforma en procesos físicos y técnicos, siempre respetando que la energía total del sistema aislado permanece constante.
Historia
James Prescott Joule fue la primera persona que descubrió mediante experimentos que el calor y el trabajo son convertibles.
La primera declaración explícita de la primera ley de la termodinámica fue dada por Rudolf Clausius en 1850: "Existe una función de estado E, llamada "energía", cuyo diferencial es igual al trabajo intercambiado con el entorno durante un proceso adiabático".
Termodinámica e ingeniería
En termodinámica e ingeniería, es natural pensar en el sistema como un motor térmico que realiza trabajo sobre el entorno, y afirmar que la energía total añadida por el calentamiento es igual a la suma del aumento de la energía interna más el trabajo realizado por el sistema. Por lo tanto, δ W {\displaystyle \delta W} 
es la cantidad de energía perdida por el sistema debido al trabajo realizado por el sistema sobre su entorno. Durante la parte del ciclotermodinámico en la que el motor realiza trabajo, δ W {\displaystyle \delta W} es positivo, pero siempre habrá una parte del ciclo en la que δ W {\displaystyle \delta W} es negativo, por ejemplo, cuando el gas de trabajo se está comprimiendo. Cuando δ W {\displaystyle \delta W} representa el trabajo realizado por el sistema, la primera ley se escribe:
d U = δ Q - δ W {\displaystyle \mathrm {d} U=\delta Q-\delta W,} 
La gente no está de acuerdo si la energía es un número positivo o negativo. Así que δ Q {\displaystyle \delta Q} 
es el flujo de calor que sale del sistema, y δ W {\displaystyle \delta W} es el trabajo que entra en el sistema:
d U = - δ Q + δ W {\displaystyle \mathrm {d} U=-\delta Q+\delta W\,} 
Debido a esta ambigüedad, es muy importante en cualquier discusión que implique la primera ley establecer explícitamente la convención de signos en uso.
dU = el cambio de energía interna
Q = calor
W = trabajo
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Preguntas y respuestas
P: ¿Cuál es la primera ley de la termodinámica?
R: La primera ley de la termodinámica es que la energía no puede crearse ni destruirse; sólo puede cambiar de una forma a otra.
P: ¿Qué es el principio de conservación de la energía?
R: El principio de conservación de la energía significa que cualquier cosa que utilice energía está cambiando la energía de un tipo de energía a otro.
P: ¿Pueden existir las máquinas de movimiento perpetuo?
R: No, las máquinas de movimiento perpetuo nunca podrían existir porque romperían una ley fundamental de la física, que establece que la energía no puede crearse ni destruirse.
P: ¿Cuáles son los ejemplos de formas de energía en la mecánica clásica?
R: Algunos ejemplos de formas de energía en la mecánica clásica son el calor, la luz, la energía cinética (movimiento) o la energía potencial.
P: ¿Cuántos tipos de energía existen en la física moderna?
R: En la física moderna se considera que sólo hay dos tipos de energía: la masa y la energía cinética, aunque esto puede no ser útil para quienes no estén familiarizados con la física más compleja.
P: ¿Es constante la energía total del universo?
R: Sí, la energía total del universo (o de cualquier sistema Cerrado) es una constante. Sin embargo, la energía puede transferirse de una parte del universo a otra.
P: ¿Cuál es la redacción más común de la primera ley de la termodinámica utilizada por los científicos?
R: La formulación más común de la primera ley de la termodinámica utilizada por los científicos es que la energía no puede crearse ni destruirse; sólo puede transferirse o convertirse de una forma a otra.
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