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Primera Ley de la Termodinámica
Semana 14 – Sesión 02
Cálculo aplicado a la física 3
Logros
Al término de la sesión, el
estudiante relaciona calor, trabajo
y energía interna mediante la
primera ley de la termodinámica.
Datos/Observaciones
Agenda
Energía interna
Calor
Primera ley de la termodinámica
Aplicaciones de la primera ley de 
la termodinámica.
Entalpía
Resolución de ejercicios.
Cierre.
Primera Ley de la Termodinámica
Sistema termodinámico
La termodinámica estudia los
intercambios de energía térmica entre
sistemas y los fenómenos mecánicos
que implican tales intercambios.
Cuando la energía (mecánica, térmica,
eléctrica, etc.) se transforma de una forma
a otra, siempre hay una cantidad que se
convierte en calor. Calor significa energía
en tránsito y dinámica se refiere al
movimiento, por lo que en esencia, la
termodinámica estudia la circulación de la
energía y cómo la energía infunde
movimiento.
Primera Ley de la Termodinámica
Sistemas Termodinámicos
Sistema abiertoSistema aislado
Sistema Aislado: es aquél que no
intercambia ni materia ni energía con
los alrededores.
Sistema Cerrado: es aquél que
intercambia energía (calor y trabajo)
pero no materia con los alrededores
(su masa permanece constante).
Sistema Abierto: es aquél que
intercambia energía y materia con los
alrededores.
Sistema cerrado
Primera Ley de la Termodinámica
Energía Interna
Es el resultado de la contribución de la energía
cinética de las moléculas o átomos que lo
constituyen, de sus energías de rotación,
traslación y vibración, además de la energía
potencial intermolecular debida a las fuerzas de
tipo gravitatorio, electromagnético y nuclear.
Sólo depende del estado inicial y del estado final.
Por lo tanto, la variación de energía interna en
un ciclo es siempre nula, ya que el estado inicial
y el final coinciden: ΔU ciclo = 0
Primera Ley de la Termodinámica
Calor
El calor (Q), es la transferencia de energía debida a una
diferencia de temperaturas. Es función de la trayectoria, es decir,
depende del camino seguido, del número de etapas en que se
realiza.
La cantidad de calor necesaria para aumentar la temperatura de
un sistema en un grado, manteniendo el volumen constante, se
llama capacidad calorífica a volumen constante. Es una
propiedad extensiva y se representa por 𝐶𝑣 .
La cantidad de calor necesaria para aumentar la temperatura de
un sistema en un grado, manteniendo la presión constante, se
llama capacidad calorífica a presión constante. Es una propiedad
extensiva y se representa por 𝐶𝑝.
Primera Ley de la Termodinámica
Trabajo
Por efecto de la fuerza F el pistón se
desplaza desde una posición inicial a
una posición final, mientras recorre
una distancia dy.
El trabajo (W) es la cantidad de energía
transferida de un sistema a otro mediante una fuerza
cuando se produce un desplazamiento.
La expresión general del trabajo para un sistema
termodinámico concreto: un gas encerrado en un
recipiente por un pistón, que puede moverse sin
rozamiento.Posición inicial
Posición final
Ԧ𝐹
Primera Ley de la Termodinámica
Trabajo
Posición inicial
Posición final
B
Ԧ𝐹 𝑑𝑊 = Ԧ𝐹. 𝑑 Ԧ𝑟
𝑑𝑊 = −𝑃𝐴𝑑𝑦
𝑑𝑊 = −𝑃𝑑V
𝑊 = −න
𝑉𝑖
𝑉𝑓
𝑃𝑑𝑉
Primera Ley de la Termodinámica
Primera ley de la termodinámica
W
Q
U
Q = ΔU + W
El calor Q que se le suministra a un sistema, es igual al cambio en la energía
interna mas trabajo W que el sistema efectúa (se expande).
La primera ley de la termodinámica
básicamente es el Principio de conservación
de energía (en un sistema termodinámico).
Primera Ley de la Termodinámica
Convención de signos
Q = (+), si el sistema absorbe calor. 
Q = (–), si el sistema elimina calor. 
W = (+), el sistema realiza trabajo (expansión)
W = (–), se realiza trabajo sobre el sistema (compresión)
ΔU = (+), la energía interna aumenta (T final > T inicial).
ΔU = (–), la energía interna disminuye (T final < T inicial).
Primera Ley de la Termodinámica
Capacidad Calorífica de un gas ideal
Del gráfico que
AB AC
U U  
AB es un proceso a volumen constante
AB AC V
U Q C T   
AC es un proceso a presión constante
AB AC AB
P
P
U Q W
C T P V
C T nR T
  
   
   
Por lo que P VC C nR 
Primera Ley de la Termodinámica
Capacidad Calorífica de un gas ideal
P V
C C nR 
O como capacidades caloríficas molares
P V
m mC C R 
Cociente de las capacidades caloríficas
p
V
C
C

Primera Ley de la Termodinámica
Capacidad Calorífica de un gas ideal
De la teoría cinético molecular, se sabe que la energía cinética media de las moléculas de un gas monoatómico (3 grados
de libertad) es:
3
2
cdE n R dT
3
2
cE nRT
por definición de capacidad calorífica a volumen constante,
 VdQ nC dT
donde dQ es el aporte de calor necesario para un cambio de temperatura. si EC representa la energía molecular total,
dEC y dQ deben ser iguales:
3
2
VnC dT n R dT
3
2
VC R
Capacidad calorífica molar a volumen
constante de cualquier gas ideal
monoatómico.
Primera Ley de la Termodinámica
Capacidad Calorífica de un gas ideal
De la teoría cinético molecular, se sabe que la energía cinética media de las moléculas de un gas diatómico (5
grados de libertad) es:
dE
c
=
5
2
nRdTEc =
5
2
nRT
por definición de capacidad calorífica a volumen constante  VdQ nC dT
donde dQ es el aporte de calor necesario para un cambio de temperatura. si EC representa la energía molecular total,
dEC y dQ deben ser iguales:
nC
V
dT =
5
2
nRdT CV =
5
2
R
Capacidad calorífica molar a volumen constante
de cualquier gas ideal diatómico.
Primera Ley de la Termodinámica
C
P
=C
V
+R
Cociente de capacidades caloríficas
g =
C
P
C
V
Moléculas monoatómicas
Tres grados de
libertad. Movimiento
de traslación
3
2
VC R
Capacidad calorífica
molar a volumen
constante de cualquier
gas ideal monoatómico.
P
5
C = R
2
Capacidad calorífica
molar a presión
constante de cualquier
gas ideal
monoatómico.
g =
5
3
=1,67
Movimientos de una molécula. Equipartición de energía
http://www.ic.sunysb.edu/Class/phy141md/lib/exe/fetch.php?media=phy141:lectures:degreesoffreedom.png
http://www.ic.sunysb.edu/Class/phy141md/lib/exe/fetch.php?media=phy141:lectures:degreesoffreedom.png
Primera Ley de la Termodinámica
Movimientos de una molécula. Equipartición de energía
Moléculas diatómicas
Tres grados de libertad.
Movimiento de traslación
Dos grados de libertad.
Movimiento de rotación
V
5
C = R
2
Capacidad calorífica
molar a volumen
constante de cualquier
gas ideal diatómico.
p
7
C = R
2
Capacidad calorífica
molar a presión constante
de cualquier gas ideal
diatómico.
g =
7
5
=1,40
Primera Ley de la Termodinámica
Capacidades caloríficas molares de algunos gases
Tipo de gas Gas CV (J/mol K)
Monoatómico He 12,47
Ar 12,47
Diatómico H2 20,42
N2 20,76
O2 20,85
CO 20,85
Poliatómico C02 28,46
S02 31,39
H2S 25,95
Primera Ley de la Termodinámica
Ejemplo 1
Un trabajador de 65 kg levanta carbón con una pala durante 3,0 h. En el proceso de remover el
carbón, el trabajador realiza trabajo a una tasa promedio de 20 W y emite calor al ambiente a una
tasa promedio de 480 W.
Ignorando la pérdida de agua por la evaporación de la transpiración de su piel, ¿cuánta grasa
perdió el trabajador? El valor energético de la grasa (Ef) es 9,3 kcal/g
Primera Ley de la Termodinámica
Proceso adiabático
Un trabajo es adiabático si no entra o sale
energía térmica del sistemas, es decir, si Q = 0.
En tal caso:
∆U = −W
Para la expansión libre adiabática
Q = 0 y W = 0, ∆U = 0
La temperatura de un gas ideal que sufre una
expansión libre permanece constante.
Primera Ley de la Termodinámica
Proceso Isométrico o Isocórico
Se cumple que 
∆𝑈 = 𝑄
𝑊 = 0
Para incrementar la presión deberá
haber flujo de calor, y por lo tanto,
incremento en la energía interna
(temperatura)
El flujo de calor en este caso es:
𝑑𝑄 = 𝑛 𝐶𝑉 𝑑𝑇
El subíndice indica que es capacidadcalorífica a volumen constante.
Primera Ley de la Termodinámica
Proceso Isobárico
Para mantener la presión constante
deberá haber flujo de calor, y por lo
tanto, incremento en la energía interna
(temperatura)
El flujo de calor en este caso es:
𝑑𝑄 = 𝑛 𝐶𝑝 𝑑𝑇
El subíndice indica que es capacidad 
calorífica a presión constante.
Primera Ley de la Termodinámica
Proceso isotérmico
Durante el proceso isotérmico, la temperatura
permanece constante, por lo que ∆𝑈 = 0.
Con lo que 
𝑄 = 𝑊 = 𝑅𝑛𝑇 𝑙𝑛
𝑉𝑓
𝑉𝑖
Primera Ley de la Termodinámica
Aplicación de la primera Ley
Primera Ley de la Termodinámica
Ejemplo 2
Un gas se comprime a presión constante de 0,800 atm de 9,00 L a 2,00 L. En el proceso salen 
400 J de energía de gas por calor, 
a) ¿Cuál es el trabajo efectuado por el gas? 
b) b) ¿Cuál es el cambio en su energía interna?
ENTALPIA
ENTALPIA (H)
La Entalpía (H) es la cantidad de energía de
un sistema termodinámico que éste puede
intercambiar con su entorno. Por ejemplo, en
una reacción química a presión constante, el
cambio de entalpía del sistema es el calor
absorbido o desprendido en la reacción. En
un cambio de fase, por ejemplo de líquido a
gas, el cambio de entalpía del sistema es el
calor latente, en este caso el de vaporización.
El término de entalpía fue acuñado por el
físico alemán Rudolf J.E. Clausius en 1850.
En un simple cambio de temperatura, el cambio de entalpía por cada grado
de variación corresponde a la capacidad calorífica del sistema a presión
constante.
ENTALPIA
ENTALPIA
Matemáticamente, la entalpía H es igual a U + pV, donde U es la energía interna, p es la presión 
y V es el volumen. H se mide en julios.
𝐻 = 𝑈 + 𝑝𝑉
Cuando un sistema pasa desde unas condiciones iniciales hasta otras finales, se mide el cambio 
de entalpía ( Δ H).
∆𝐻 = 𝐻𝑓 − 𝐻𝑖
La razón por la que vale la pena definir esta nueva propiedad es que puede ser medida
experimentalmente: basta con medir el calor transferido a presión constante. Y teniendo en
cuenta que la entalpía es una función de estado, la expresión para la entalpía para un cambio
finito es:
∆𝐻 = ∆𝑈 + 𝑝∆𝑉
NO OLVIDAR!
La energía interna es una función de estado
depende sólo de los estados inicial y final.
El calor (Q), es la transferencia de energía
debida a una diferencia de temperaturas.
El trabajo (W) es la cantidad de energía
transferida de un sistema a otro mediante una
fuerza cuando se produce un desplazamiento.
La primera ley de la termodinámica describe la
conservación de la energía en términos de
variables termodinámicas.
 La Entalpía (H) es la cantidad de energía de un
sistema termodinámico que éste puede
intercambiar con su entorno.
Recuerda
BIBLIOGRAFÍA
BÁSICA
Serway, R. y Jewett, J.W.(2015) Física para ciencias e ingeniería. Volumen II. 
México. Ed. Thomson. 
Halliday, D., Resnick, R. y Krane, K.S.(2008) Física. Volumen II. México. Ed. 
Continental. 
Sears F., Zemansky M.W., Young H. D., Freedman R.A. (2016) Física 
Universitaria Volumen II Undécima Edición. México. Pearson Educación. 
COMPLEMENTARIA
Tipler, P., Mosca, G. (2010) Física para la ciencia y la tecnología. Volumen II. 
México Ed. Reverté .
Feynman, R.P. y otros. (2005) Física. Vol. II. Panamá. Fondo Educativo 
interamericano. 
Bibliografía