Energía interna en la primera ley de la termodinámica

La respuesta realmente depende del sistema bajo observación. El caso dado en su pregunta en el que el cambio en la energía interna es cero, incluso cuando el sistema realizó (o sobre) algún trabajo, es ciertamente posible si el sistema no está aislado térmicamente (o simplemente aislado). Un sistema no debe estar térmicamente aislado porque algo de energía térmica tiene que transferirse entre los alrededores y el sistema, si queremos que la energía interna permanezca constante después de que se observe algún cambio en el volumen del sistema.

De la primera ley de la termodinámica,

$\Delta U=Q-W_{system}$ $\tag 1$

Si$\Delta U=0$entonces,

$W_{system}=Q$ $\tag 2$

Ecuación$(2)$implica que si en un sistema cerrado (no aislado), el sistema se expande, algo de calor entra en el sistema desde el entorno para reponer la energía interna perdida cuando el sistema realizó algún trabajo contra la presión externa.

De la misma ecuación, también se deduce que si debido a algún agente externo el sistema se comprime, algo de calor sale del sistema para aliviar el sistema de la energía interna que obtuvo cuando el agente externo realizó algún trabajo sobre el sistema.

En términos más simples, la energía interna del sistema aumenta cuando se realiza trabajo en el sistema o entra calor en el sistema, y ​​disminuye cuando el sistema realiza trabajo o el calor sale del sistema.

Si la energía interna tiene que permanecer constante, estos dos factores deben trabajar de manera opuesta. Cualquiera de los dos debería aumentar la energía interna mientras que el otro la disminuye.

En los sistemas abiertos, no hay límite entre el sistema y el entorno. La materia se vuelve intercambiable. En este caso, no habrá límite para que el sistema realice el trabajo. El entorno se convierte en el sistema. Para sistema abierto los términos,$Q$y$W$, no tienen importancia.

Un sistema cerrado es aquel en el que no entra ni sale masa del sistema a través de su frontera con los alrededores, pero se puede realizar trabajo en la frontera y el calor puede entrar a través de partes de la frontera. Un sistema abierto es aquel en el que se puede realizar trabajo en la frontera y tanto el calor como la masa se pueden intercambiar con los alrededores a través de porciones de la frontera del sistema.

Su ecuación para la primera ley de la termodinámica para un sistema cerrado dice que la energía interna puede cambiar solo si el trabajo realizado por el sistema en su entorno no es igual al calor que ingresa al sistema a través de una parte de su límite.

La versión de sistema abierto (volumen de control) de la primera ley de la termodinámica es una extensión de la versión de sistema cerrado. Tiene en cuenta la energía interna que ingresa al sistema a través de las corrientes de flujo de entrada y salida, y divide el trabajo realizado por el sistema en su entorno en dos partes separadas: (a) trabajo realizado para forzar la entrada o salida de masa del sistema a través de la parte de su límite y (b) todo otro trabajo no relacionado con forzar la entrada o salida de masa del sistema; este último generalmente se conoce como "trabajo de eje". En algunos casos, la versión de sistema abierto de la primera ley se escribe como una ecuación (transitoria) dependiente del tiempo, que involucra la tasa de cambio de la energía interna, las tasas a las que la masa entra y sale del sistema, y ​​las tasas a las que se produce el trabajo. hecho y el calor entra a través de porciones del límite del sistema.