1ra Ley de la Termodinámica, 3ra Ley de Newton y el Teorema Trabajo-Energía

Primera pregunta: ¡Sí, esa es la tercera ley de Newton!

Segunda pregunta: Sí, suponiendo que el calor no se transfiera también. Si$Q=0$, entonces$\Delta U=W_{0}$.

Acerca de su segunda respuesta, sí, su lógica es correcta.

Pero si la temperatura (temperatura, no energía interna) del entorno es menor que la del sistema (después de agregar 30 J), parte de la energía interna del sistema se transferirá, desde el sistema, al entorno.

Mi pregunta es, dado que el trabajo realizado por el sistema es igual al negativo del trabajo realizado sobre el sistema, ¿se supone que la magnitud de la fuerza ejercida por el sistema sobre el pistón y viceversa es la misma?

La magnitud del trabajo es la misma. La primera ecuación se usa comúnmente en química. La segunda ecuación es la más utilizada en física e ingeniería. No importa cuál se use, siempre y cuando seas consistente. Consistente en este sentido es comprender que cuando el sistema realiza trabajo (p. ej., trabajo de expansión de un gas), le quita energía interna al sistema, y ​​cuando se realiza trabajo en el sistema (p. ej., trabajo de compresión en un gas) se suma a la energía interna del sistema.

También aprendí que de acuerdo con el teorema del trabajo y la energía, el trabajo neto realizado en un sistema = cambio en su energía cinética total, por lo tanto, si hacemos 30 J de trabajo en el sistema, la energía cinética debería aumentar en 30 J, y dado que el total la energía interna de un gas ideal es igual a la energía cinética de las moléculas, la energía interna del gas aumenta en 30J.

El teorema de la energía del trabajo generalmente se aplica a la velocidad y la energía cinética de los cuerpos macroscópicos. Para un gas en un cilindro equipado con un pistón, esa sería la energía cinética asociada con el centro de masa del gas como un todo con respecto a un marco de referencia externo. Visualice el cilindro de gas como un todo moviéndose con cierta velocidad. El principio no es aplicable a la energía cinética microscópica interna del gas.

Dicho esto, su lógica de que 30 J pf trabajo realizado en un gas ideal aumenta su energía cinética interna en 30 J es correcta, siempre que no haya transferencia de calor fuera del sistema durante la compresión. En otras palabras, su proceso debe ser adiabático para que$Q=0$. Y eso es porque la primera ley permite la posibilidad de que la transferencia de energía sea en forma de calor y/o trabajo según la ecuación.

ACTUALIZAR :

Esto responderá a sus preguntas de seguimiento.

¿Es la razón por la cual el trabajo realizado por el sistema y el pistón son iguales en magnitud pero de signo opuesto, como lo menciona Shura Zeryck (otro contribuyente), debido a la tercera ley de movimiento de Newton?

Si pregunta si la razón por la cual los signos para el trabajo en las dos ecuaciones de la ley de la Primera Ley son diferentes es debido a la tercera ley de Newton, no es así. Como se explicó anteriormente, la diferencia en los signos se debe simplemente a las diferentes convenciones de signos. Cuando el trabajo realizado por un sistema sobre los alrededores y$Q=0$, el resultado es una disminución de la energía interna. En la primera ecuación la convención es llamar a esto trabajo negativo. Lo que hace$\Delta U$negativo. En la segunda ecuación la convención es llamar a esto trabajo positivo. Eso también da como resultado$\Delta U$siendo negativo. En cualquier caso, la magnitud del trabajo es la misma y las dos versiones son consistentes. Más allá de eso, no hay otra razón para la diferencia.

Si está preguntando si la tercera ley de Newton se aplica al trabajo en general, entonces, por supuesto, se aplica a las fuerzas que están realizando trabajo. Pero en términos del trabajo neto realizado en cada uno de los objetos que interactúan, se aplica la segunda ley de Newton.

Otra pregunta que tengo es que, en general, cuando se realiza un trabajo positivo en el sistema, decimos que "se realiza un trabajo en el sistema", mientras que cuando se realiza un trabajo negativo en el sistema, decimos que "el sistema realiza un trabajo". Mi pregunta es ¿por qué es así? ¿Definimos convencionalmente el trabajo desde el marco en el que el trabajo realizado es positivo? ?

Responderé primero a la segunda pregunta. En termodinámica definimos convencionalmente el trabajo en el marco de referencia del "sistema". Todo lo que está fuera del sistema se agrupa y se denomina "entorno". El foco está en el sistema y sus propiedades. Las propiedades del entorno generalmente no se especifican. Normalmente, solo interesa el trabajo o el calor transferido hacia o desde el entorno, y su cambio de entropía.

En cuanto a la primera pregunta, para que quede claro, cuando dice " cuando se realiza un trabajo positivo en el sistema, decimos que se realiza un trabajo en el sistema, mientras que cuando se realiza un trabajo negativo en el sistema, decimos que se está realizando un trabajo por el sistema "tenga en cuenta que solo se está refiriendo a la versión de la primera ley$\Delta U=Q+W$. la segunda versión$\Delta U=Q-W$se usa más comúnmente. Para la segunda versión, invierta los términos "positivo" y "negativo".

Dicho esto, la razón por la que especificamos el trabajo realizado por o sobre el sistema es para asignar los signos adecuados a los valores de$W$en la ecuación de la primera ley aplicable, como discutí anteriormente.

Espero que esto ayude.