Desarrollo:
1era Ley de la termodinámica.
Está ley fue presentada por Julius Robert Von Mayer en el año de 1841. Tratándose del principio de la conservación de la materia.
La definición de la primera ley de la termodinámica se presenta de la siguiente manera: “La energía total de un sistema aislado ni se crea ni se destruye, permanece constante”. Esto quiere decir que la energía solo se transforma a otro tipo, en palabras llanas, cuando una energía desaparece debe de aparecer otra clase de energía que sea equivalente a la anterior.
Un cuerpo tiene una cierta energía la cual se conoce como energía cinética. Cuando está energía pierde velocidad, se transforma en otro tipo de energía, puede ser, energía potencial (si adquiere altura), energía calorífica (si hay rozamiento, provocando calor), etc.
Este principio es aplicado en la energía solar fotovoltaica y en la energía solar térmica. En donde los átomos de las partículas que forman el Sol contienen energía, la cual mediante una reacción nuclear se transforma en radiación, está llega a la tierra y es captada por los paneles solares transformándose mediante un conversor de energía en energía eléctrica, o en energía calorífica, dependiendo del procedimiento de conversión.
Con el fin de sustentar está ley se realizaron experimentos, para su comprobación, a continuación, enumeraremos los más importantes.
Este experimento los realizo Benjamín Thompson también conocido como el Conde Rumford (1753 – 1814) este experimento consistió en un cilindro de bronce usado a un taladro de acero filoso. Este taladro se forzaba en contra de la parte inferior del cilindro y al cilindro se le hacía girar sobre su eje por medio de una maquina taladradora operada con caballos. El cilindro y el taladro se colocaban en una caja hermética llena de agua a temperatura ambiente. Después de operar el dispositivo cierto tiempo, el cilindro y el agua se calentaron, este calentamiento continuo hasta lograr la ebullición del agua.
Esto implicaba que el agua se calentó sin utilizar fuego, solo a través de trabajo (del cilindro).
Los estudios decisivos que condujeron a establecer la equivalencia entre el trabajo mecánico y el calor fueron realizados en 1840 por James Joule en la Gran Bretaña. Estos estudios estuvieron inspirados en los trabajos de Rumford.
James Joule propuso un dispositivo que consistía en un eje rotatorio dotado de una serie de paletas girando entre cuatro conjuntos de paletas estacionarias. El propósito de estas paletas era agitar el líquido que se colocaba en el espacio libre entre ellas. El eje se conectaba mediante un sistema de poleas y cuerdas muy finas a un par de masas de peso conocido.
El experimento consistía en enrollar la cuerda sujetando las masas sobre las poleas hasta colocar a una altura determinada del suelo. Al dejar caer las masas, el eje giraba lo cual a la vez generaba una rotación de los brazos revolventes agitando el líquido contenido en el recipiente. (Primera ley de la termodinámica, 2016)
La primera ley de la termodinámica establece que el cambio en la energía interna de un sistema ΔU, es igual al calor neto que se le transfiere, Q, más el trabajo neto que se hace sobre él, W. En forma de ecuación, la primera ley de la termodinámica es,
Aquí, ΔU es el cambio en la energía interna U del sistema, Q es el calor neto que se le ha transferido (es decir, Q es la suma de todo el calor transferido por y hacia el sistema) y W es el trabajo neto realizado sobre el sistema.
Así que el calor positivo Q y el trabajo positivo W positivo inyectan energía en el sistema. La primera ley toma la forma por está razón. Simplemente establece que puedes aumentar la energía interna de un sistema al calentarlo o al hacer trabajo sobre él. (¿Qué es la primera ley de la termodinámica?)
Describe un problema de ingeniería ambiental, en cuya solución se debe contemplar la primera ley de la Termodinámica.
En la actualidad una de las mayores problemáticas que existen es la generación de energía eléctrica, dado que actualmente la mayoría se genera de dos maneras las cuales son altamente contaminantes, la primera es con la quema de carbón y la otra usando plantas hidroeléctricas.
En diversos estados de la república mexicana existen plantas de energía termoeléctrica, las cuales producen serios daños al medio ambiente, diversas enfermedades en la comunidad y una baja producción agrícola. Al quemarse el combustóleo despide emisiones de bióxido de azufre, bióxido de carbono y ácido sulfúrico, así como partículas de vanadio, cromo, zinc, níquel, plomo y manganeso, estos son considerados como metales pesados, los cuales son extremadamente dañinos no solo al ambiente sino a la salud.
Una posible solución es la implementación de paneles solares en las casas, estos funcionan de acuerdo con la primera ley de la termodinámica donde una energía calórica se transforma en eléctrica, con ello se generaría no solo electricidad sana, sino que también se podría reducir considerablemente el uso de las plantas termoeléctricas.
Otra opción sería la presencia de energía eléctrica disponible en la naturaleza, como los relámpagos, cabe decir que está presencia de energía eléctrica es muy pequeña, pero considero que sería una opción con la que se podría contar.
Explicar basado en la imagen.
A partir de la siguiente imagen, describa el cambio que ha sufrido el sistema en términos de la energía, el calor y el trabajo, considerando que el sistema está compuesto por una botella dentro de la cual se encuentra un número finito de partículas y estas no pueden escapar. El volumen de la botella se ha reducido debido a que se colocaron pesos sobre su embolo. No hay fricción en el embolo.
Considerando que la sustancia que existe en el recipiente es un gas, al ponerse un peso sobre el pistón el gas se comprime y se hace un trabajo sobre él. Por consiguiente, las colisiones de las moléculas de gas con el pistón descienden provocando con ello que las moléculas se muevan más rápido e incrementando así la energía interna total.
Por lo tanto, si el gas es comprimido, el trabajo que se realiza sobre el mismo es positivo. En caso contrario al quitarse los pesos del pistón el gas es el que realiza el trabajo. Esto quiere decir que las moléculas de gas se mueven más lento disminuyendo la energía interna del gas, por tanto, al expandirse un gas el trabajo que se realiza es un número negativo.
Resuelve el siguiente planteamiento.
Suponga que está en la base de Popocatépetl, en su mano derecha lleva un helado, en su mano izquierda lleva la botella con el émbolo que se muestra en la figura anterior. Describa que sucede con estos dos objetos al ascender hasta la cima del Popocatépetl. ¿cómo son estos sistemas termodinámicos?
Con respecto a la botella con el émbolo es un sistema cerrado, en este se ejercerá una presión cuando se vaya subiendo hacia la cima del Popocatépetl, es muy posible que el émbolo sea empujado hacia abajo debido al incremento de la presión atmosférica.
Conclusión.
La termodinámica y la primera ley de termodinámica juegan un papel fundamental en la tecnología ambiental, dado que estos se implementan en la generación de energía limpia, lo cual beneficiara al medio ambiente dado que este tipo de energía no es tan contaminante como el procedimiento que se realiza en estos momentos para obtener energía en las plantas termoeléctricas con el combustóleo.
El uso de la termodinámica influye en la facilitación de minimización del impacto negativo por causa de que llegase a fallar un equipo industrial, es una herramienta fundamental para poder determinar si una industria puede llegar a causar algún impacto negativo en el medio ambiente.
Bibliografía
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