La primera ley de la termodinámica, también llamada por extensión, la ley de la conservación de la energía, es una suposición fundamental de la teoría de la termodinámica.
La primera ley de la termodinámica es una formulación del principio de conservación de la energía y establece que:
«La energía interna de un sistema termodinámico aislado es constante.»
Un universo termodinámico, que consiste en el sistema y su entorno, es un sistema aislado. La energía no se crea ni se destruye, sino que se transforma de una forma a otra: la energía se puede transferir a través del intercambio de calor (energía calorífica) y trabajo.
En la forma más general y simple, la primera ley de la termodinámica puede describirse diciendo que existe una función de las coordenadas termodinámicas de un sistema, llamada energía interna U. Las variaciones de esta energía interna generan los intercambios de energía del sistema con el entorno que lo rodea. Este proceso caracteriza las transformaciones termodinámicas entre dos estados de equilibrio del sistema, según los cuales la energía interna es una función del estado. Durante una transformación, la energía se suministra al sistema a través del trabajo mecánico y el intercambio de calor. Esta energía permanece almacenada en forma de energía interna y luego puede reutilizarse.
La primera ley de la termodinámica y los motores térmicos
La primera ley de la termodinámica es importante a la hora de calcular el ciclo teórico de un motor térmico, ya sea el ciclo Otto o el ciclo diésel. Puesto que esta primera ley establece una relación entre el calor y el trabajo generado durante la combustión del combustible.
Para mejorar el rendimiento de un motor endotérmico nos interesa la energía interna se convierta en trabajo. Este trabajo significa obtener energía mecánica que es la que aprovecharemos en el motor. Por otro lado, la energía interna que se convierta en energía calorífica se disipará y por lo tanto será energía perdida.
Descripción de la primera ley de la termodinámica
Dados dos estados A y B, la variación de la energía interna ΔU = U(B) - U(A) es igual a la diferencia del calor absorbido Q = Q (A → B) y del trabajo completado W = W (A → B) del sistema durante la transformación:
ΔU = Q - W
El calor y el trabajo son propiedad de transformaciones y no de estados. En transformaciones particulares, el intercambio de calor puede ser predominante, mientras que en otras transformaciones el trabajo es predominante. Si los estados de salida y llegada son los mismos, en las diferentes transformaciones, el intercambio total Q - W es el mismo.
La primera ley de la termodinámica destaca la existencia de un mecanismo de intercambio de energía, que no puede expresarse como trabajo mecánico macroscópico: este es el nombre del calor.
La equivalencia entre trabajo y calor fue demostrada por Joule a través de una serie de experimentos a mediados del siglo XIX. Esquemáticamente, los diversos experimentos tenían como objetivo lograr un aumento en la temperatura de una cierta cantidad de agua con diferentes procesos. En uno de estos, la energía mecánica se transfiere al sistema mediante una caída de peso. El peso se acopla mecánicamente a un eje vertical alto por medio de una cuerda que lo envuelve en su parte superior, mientras que en la parte inferior hay algunas cuchillas, dispuestas en un patrón radial, con sus planos paralelos al eje de rotación del eje. Las cuchillas están sumergidas en un líquido contenido en un contenedor adiabático. Resultado de la experiencia es el aumento de la temperatura del líquido, o de su energía interna U. Esto demuestra que la energía potencial del peso, la caída en el frenado por el líquido que se opone a su variación de quietud, a través de la rotación de las cuchillas, se trasladó en gran medida a la del líquido de frenos mediante el aumento de la temperatura, y el desarrollo de un trabajo térmico.
La primera ley de la termodinámica es equivalente a la imposibilidad del movimiento perpetuo de la primera especie.
En una transformación casi estática y reversible, es útil considerar las transformaciones termodinámicas en las que las variables de estado cambian en cantidades infinitesimales.
