Para entender bien la primera ley de la termodinámica, hay que entender antes los conceptos que ya hemos visto en el primer capítulo.

Recordar: Energía Interna, Calor y Trabajo.

Sabemos que la energía interna es la energía o salsa de vida que hay en el sistema termodinámico, y que el calor y el trabajo son dos formas distintas en las que esta salsa se intercambia con el medio, se transfiere.

¿Qué dice la primera ley de la termodinámica?

Pues dice una cosa que ya habrás escuchado muchas veces.

La energía ni se crea ni se destruye, solo se transforma.

Vale.

¿Y cómo nos tragamos eso?

Pues para empezar, con mediciones.

Y no olvidemos que medir es comparar.

Nos inventamos un elemento de comparación, conocido también como unidad.

Y comparamos cuántas veces se repite esa unidad.

Ejemplo del significado de medir:

Si te digo que para mí una unidad inventada y llamada Patajuto es la energía que permite a una pierna de un ser humano estándar accionar una super patada en el culo,

...y tengo un sistema que ha realizado quince patadas, podemos afirmar que ese sistema ha transferido quince Patajutos de energía.

Pues lo mismo pasa con el calor y el trabajo, medido generalmente en Julios.

Podemos medir cuánta energía se transfiere en forma de calor y trabajo, haciendo una comparación con respecto a las unidades de medida de energía.

¿Y qué pasa con todo esto?

Pues pasa mucho.

Para empezar, pasa que tenemos un sistema termodinámico con una cantidad cualquiera de energía interna.

Este señor sistema está en contacto con su entorno y básicamente con el resto del Universo, y de repente absorbe o cede una cantidad cualquiera de energía interna en forma de trabajo y de calor.

¿Qué pasa ahora?

Pues que ahora, ese sistema tiene más o menos energía interna que antes.

Lógico como un cielo azul.

Entonces, repetimos:

La energía ni se crea ni se destruye, solo se transforma.

Vale.

Primera ley de la termodinámica

La variación total de energía de un sistema es igual a la variación de calor y trabajo del mismo.

Representación matemática del primer principio:

$$\Delta U=Q_{absorbido}+W_{absorbido}$$

Al señor calor y a su primo trabajo no se les pone el símbolo de incremento porque ellos ya son una variación de energía de por sí.

La energía interna aumenta cuando el sistema absorbe energía en forma de trabajo y calor.

Y del mismo modo, la energía interna disminuye si el sistema cede trabajo y calor al entorno.

Naturalmente, puede absorber de uno y ceder del otro, ya que son dos formas distintas de intercambio energético.

Pero el caso es que se trata de algo real que existe y está ahí, y que puede rastrearse, la energía no se desvanece en la nada.

En algunos contextos, la primera ley se escribe como la diferencia, en lugar de la suma:

$$\Delta U=Q_{absorbido}-W_{realizado}$$

Pero vas a ver que no hay que asustarse por eso.

Criterio de signos

Lo que estamos midiendo es variación de energía.

Y esta, matemáticamente expresada, depende de cómo lo mires.

Lo que el sistema absorbe, es lo que el entorno cede.

$$W_{absorbido}=-W_{realizado}$$

Así está bastante claro, pero si no... te doy un ejemplo.

Imagina que hay dos habitaciones, y por un lado:

  • Estás en una habitación roja.
  • Lucrecia va desde la habitación verde a la roja.
  • Para tu punto de vista: Lucrecia ha entrado.

Desde el otro lado.

  • Estás en la habitación verde.
  • Lucrecia va desde la habitación verde a la roja.
  • Para tu punto de vista: Lucrecia ha salido.

Wow, qué mundo tan extraño.

Pues no.

En ambos casos ha pasado la misma cosa.

Lucrecia ha ido desde la habitación verde a la roja.

Ha habido una transferencia de energía.

Pues igual con la suma/resta de lo que dice el primer principio tan termodinámico que tenemos entre manos.

Criterio de signos estándar

Para gusto y beneficio de lo estándar,

  • se define como calor positivo al que entra en el sistema.
  • se define como trabajo positivo al que entra en el sistema.

Así de simple y así de lógico.

Criterio de signos alternativo

En otras ocasiones, sobre todo en el ámbito de la mecánica,

  • se define como calor positivo al que entra en el sistema.
  • se define como trabajo positivo al que sale del sistema.

¿Por qué alguien haría esa locura?

Por razones históricas.

Si el sistema termodinámico fuese un tren a vapor, para ti lo normal y beneficioso es que este absorba calor y haga trabajo.

  • Cuanto más calor absorbe, mejor. Más positivo para ti.
  • Cuanto más trabajo hace el tren. Más positivo para ti.

Pues precisamente de ahí viene este criterio.

Calor absorbido por el sistema es positivo, mientras que trabajar para el sistema es negativo.

Te doy calor quemando carbón y me das trabajo moviendo el tren.

En este caso lo que te interesa a ti es que el sistema termodinámico te aporte un beneficio, sea él quien hace el trabajo.

En definitiva

Puedes mirar la energía interna (U) como un saco donde metes variaciones de calor y trabajo.

Como una hucha donde metes dinero (energía) en formas distintas de dólares y euros (calor y trabajo).

Si metes dinero, la hucha tiene más.

Si sacas dinero, la hucha tiene menos.

Pero la energía no se destruye, solo se transforma y se transfiere de un sitio a otro.

Es cierto que el hecho de que haya criterios de signos distintos puede resultar confuso, pero si comprendes que los signos solo implican el punto de vista, no tienes nada que temer.