Primera Ley de la Termodinámica

El Primer Principio de la Termodinámica es un enunciado de la conservación de la energía aplicado a sistemas termodinámicos: la variación de energía interna deltaU es igual al calor Q aportado al sistema menos el trabajo W realizado por el sistema sobre el entorno, expresado como deltaU = Q - W. La energía interna U recoge la energía cinética y potencial total de todas las moléculas dentro de la frontera del sistema, aumentando cuando el sistema absorbe calor y disminuyendo cuando el sistema empuja contra una presión externa. El convenio de signos tiene motivación física: Q positivo significa que la energía entra (el entorno está más caliente que el sistema), W positivo significa que el sistema se expande y entrega trabajo hacia afuera (por ejemplo, un pistón que empuja contra la atmósfera). En una expansión isotérmica de un gas ideal, deltaU = 0 porque la energía interna depende únicamente de la temperatura; por tanto, todo el calor absorbido se convierte directamente en trabajo y Q = W de forma exacta. En un proceso isocórico (volumen constante), no es posible ningún trabajo PdV y la totalidad del calor aportado incrementa la energía interna: un recipiente rígido sellado calentado con 1 kJ gana exactamente 1 kJ de energía interna.

El poder práctico del Primer Principio reside en que se aplica con independencia del camino seguido entre dos estados: U es una función de estado, por lo que su variación depende únicamente de las condiciones iniciales y finales, no de la secuencia de pasos. Esta independencia del camino sustenta la ley de Hess en química (la entalpía de reacción es aditiva), la calorimetría (un calorímetro de bomba mide directamente deltaU a volumen constante) y el balance energético de cualquier ciclo termodinámico. Para un ciclo termodinámico completo (el pistón regresa a su estado inicial), deltaU neto = 0 a lo largo del ciclo completo, de modo que el calor neto absorbido debe ser igual al trabajo neto producido. Este es el principio de funcionamiento de los motores térmicos: un motor de gasolina que completa cada ciclo de combustión debe rechazar como calor residual todo el calor absorbido que no pudo convertir en trabajo en el eje. El Primer Principio por sí solo no prohíbe un motor térmico perfecto que convierta todo el calor de entrada en trabajo; esa restricción proviene del Segundo Principio, que añade la condición de entropía y establece el límite de Carnot, 1 - T_C/T_H, para cualquier ciclo real.