¿Cuál es positivo? cual es negativo sobre las leyes de la termodinámica... de resolver problemas

La primera ley de la termodinámica es un balance de energía, que es una reformulación de la ley de conservación de la energía. Dado que el símbolo de energía es "E", y usando el símbolo estándar de energía interna de "U", toda la energía que ingresa a un sistema se suma a la energía interna y toda la energía que sale de un sistema se resta de la energía interna. En forma de ecuación, esto es:

$\Delta U = E_{in} - E_{out}$

Tenga en cuenta que el trabajo y el calor son formas de energía y, en condiciones normales, el trabajo que se agrega a un proceso termina como calor a través de procesos disipativos (p. ej., fricción). Debido a que el trabajo y el calor son equivalentes desde el punto de vista de la energía, la primera ley de la termodinámica se puede escribir fácilmente para cada proceso individual, como se detalla a continuación:

1) Para un proceso donde el trabajo del eje se usa para bombear un fluido, el trabajo ingresa al sistema. Suponga que, por alguna razón, el fluido también debe calentarse, por lo que también ingresa calor al sistema. Para este proceso, la ecuación que se aplica sería

$\Delta U = W_{in} + Q_{in}$

2) Para un sistema de refrigeración, el trabajo del eje se usa para comprimir un refrigerante, el calor se expulsa al ambiente para condensar el refrigerante, la presión del refrigerante se reduce a través de una válvula de expansión y el refrigerante absorbe el calor a baja temperatura para mantener algo genial Esto significa que hay dos términos de calor en la primera ley para este sistema, lo que da como resultado la siguiente ecuación:

$\Delta U = W_{in} + Q_{in} - Q_{out}$

Como se trata de un proceso cíclico,$\Delta U = 0$, por lo que la cantidad de calor que sale de este sistema debe ser mayor que la cantidad de calor absorbido por el refrigerante porque el trabajo realizado por el compresor se convirtió en calor que debe ser expulsado al medio ambiente.

Los ejemplos anteriores ilustran una forma de construir la primera ley de la termodinámica que minimiza la confusión que puede resultar de decidir si el trabajo es positivo o negativo. En efecto, dado que el trabajo y el calor son equivalentes desde el punto de vista termodinámico, a todos los términos de energía se les asignan arbitrariamente valores positivos. A partir de entonces, cualquier energía que ingrese a un sistema se suma a la energía interna y cualquier energía que salga de un sistema se resta de la energía interna.

Usando este método para el problema 3 en la pregunta publicada, el contenedor de sodio líquido es el sistema, y ​​ese contenedor transfirió 300 J de calor al medio ambiente. Incluso con esta transferencia de calor al medio ambiente, el sistema ganó 250 J de energía interna. Esto significa que el problema funciona de la siguiente manera:

$\Delta U = E_{in} - E_{out}$

Es obvio que el calor salió del sistema, pero no es obvio si el trabajo entró o salió del sistema. Suponga que el trabajo entró en el sistema. Cuando la ecuación de la primera ley se resuelve para el trabajo, si el término del trabajo es positivo, esta suposición era correcta. Si el término de trabajo es negativo, entonces la suposición fue incorrecta y el trabajo abandonó el sistema. Por lo tanto, se aplica la siguiente solución:

$\Delta U = W_{in} - Q_{out}$

$\Delta U + Q_{out} = W_{in}$

250 J + 300 J = 550 J =$W_{in}$

Por lo tanto, el trabajo puesto en el sistema fue de 550 J.

Piensa en esto, de esta manera. Si la energía neta sale del sistema, habrá una reducción (cambio negativo) en la energía interna. Si la energía neta ingresa al sistema, habrá un aumento (cambio positivo). Sobre esa base, el cambio en la energía interna para 1, 2 y 3 es negativo, positivo y positivo, respectivamente. Ahora, con respecto a la forma de la ecuación de la primera ley, se utilizan dos convenciones .

En física e ingeniería, la expresión más común para la primera ley hoy en día es la forma de Clausius

Por ejemplo, el manual para el examen de fundamentos NCEE (FE) para convertirse en ingeniero profesional utiliza esta ecuación. Sin embargo, hay un movimiento hacia el cambio de signo. Ver Wikipedia.

En este caso,$W$es positivo si el sistema realiza trabajo (trabajo que sale, energía que sale) y negativo si lo hace en el sistema (trabajo que entra, energía que entra). Esta derivación física surge principalmente de una convención de vector de trabajo. El trabajo se considera positivo cuando la dirección de la fuerza es la misma que la dirección del desplazamiento. Algo hace un trabajo positivo cuando transfiere energía a otra cosa.

La Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) utiliza el siguiente formulario, y este formulario es el que se enseña en los cursos de química.

En este caso$W$es negativo si el sistema realiza trabajo (trabajo que sale, energía que sale) y positivo si lo hace en el sistema (trabajo que entra, energía que entra). Esta es exactamente la misma convención que el calor (salida de calor = salida de energía y entrada de calor = entrada de energía).

Si bien puede parecer que no importa qué expresión de trabajo use, siempre debe verificar cuál se está usando. También hay que ser constante siempre.

Ambas versiones son consistentes con el siguiente hecho como dije al principio:

Si la energía neta sale del sistema, habrá una reducción (cambio negativo) en la energía interna. Si la energía neta ingresa al sistema, habrá un aumento (cambio positivo).

BÚSQUEDA DE GOOGLE:

Por si sirve de algo, busqué en Google "Primera ley de la termodinámica" y revisé los enlaces, en el orden en que aparecieron, para la convención de signos si se dio la ecuación de la primera ley. Esto es lo que encontré:

Wikipedia (-W)

Hiperfísica (-W)

NASA (-W)

Academia Khan (+W)

Enciclopedia Británica (-W)

Física Socrática (-W)

Chemed.chem.purdue.edu (+W)

Ciencias ABC )(-W)

Termodinámica (física para idiotas)(-W)

Física universitaria (opentextbc.ca)(-W)

Energía-solar.tech (-W)

Física de la Universidad de Boston (-W)

ASME (Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos)(-W)

Después de esto, me detuve.

Espero que esto ayude