Primera ley de la termodinámica

Balance entre calor, trabajo y variación de energía interna de un sistema.

Contexto conceptual

La primera ley de la termodinámica expresa una idea de conservación: la energía no aparece ni desaparece dentro de un sistema cerrado, solo cambia de forma o cruza la frontera. En este leaf la frontera del sistema es esencial, porque separa lo que pertenece al sistema de lo que pertenece al entorno. $Q$ y $W$ son formas de transferencia a través de esa frontera, mientras que $\Delta U$ describe lo que cambia dentro del sistema. La pregunta central es cómo se relacionan esas tres piezas para decidir si el sistema gana energía interna, la pierde o conserva el mismo estado energético.

🟢 Nivel esencial

La primera ley dice que el sistema lleva una contabilidad energética. Si entra energía por $Q$ o por $W$, aumenta la energía interna; si sale energía por alguno de esos caminos, disminuye. La clave es no confundir transferencia con contenido: el sistema no contiene calor ni trabajo, contiene energía interna. El calor aparece cuando hay diferencia de temperatura entre sistema y entorno. El trabajo aparece cuando una acción mecánica comprime, expande, mueve o deforma la frontera.

$\Delta U$ es el resultado final de esa contabilidad. Si el estado final tiene más energía que el inicial, el cambio es positivo; si tiene menos, es negativo. Por eso siempre hay que fijar primero la convención de signos y después sumar las aportaciones del proceso completo.

Piensa en una cuenta bancaria: el saldo final no distingue si el dinero entró como un ingreso grande y una retirada pequeña, o como varios ingresos y retiradas menores que se compensan. Lo único que importa para el saldo es la suma neta. Con la energía interna ocurre lo mismo: $Q$ y $W$ pueden combinarse de muchas formas distintas a lo largo de un proceso, pero solo su suma neta determina cuánto cambió $\Delta U$.

🔵 Nivel formal

Fórmulas básicas

En este leaf se adopta la convención de trabajo realizado sobre el sistema. Con esa convención, $Q$ es positivo cuando entra calor y $W$ es positivo cuando el entorno realiza trabajo sobre el sistema. La relación central es:

Primera ley con trabajo sobre el sistema

Esta fórmula no dice que el calor o el trabajo estén almacenados. Dice que ambos son mecanismos de transferencia que modifican la energía interna. La energía interna, en cambio, sí es una función de estado. Por eso su variación se define comparando el estado final con el inicial:

Variación de energía interna entre estados

Preguntas reales del alumno

¿Si entra calor, siempre sube la temperatura? No siempre. Puede entrar $Q$ y al mismo tiempo el sistema realizar trabajo hacia el entorno, de modo que parte de la energía no queda como energía interna.

¿Por qué el trabajo cambia de signo en otros libros? Porque algunos textos definen positivo el trabajo hecho por el sistema. Este leaf usa $W$, positivo cuando el entorno trabaja sobre el sistema.

¿Puede $\Delta U$ ser cero aunque haya calor? Sí. En un ciclo o en un proceso donde el calor que entra se compensa con trabajo que sale, el estado interno final puede coincidir con el inicial.

Síntesis final

La primera ley es la contabilidad energética de un sistema cerrado. $Q$ y $W$ cruzan la frontera; $\Delta U$ queda como resultado interno. Entender signos, unidades y frontera del sistema es entender la ley.