B.4 · Termodinámica

Esta hoja didáctica cubre temas seleccionados de HL para el curso cuya primera evaluación fue en 2025; no constituye todo el programa.

Requisitos previos: leer las cantidades y unidades indicadas, y aplicar aritmética y las condiciones del modelo siguientes.

Los ejemplos son originales y ficticios: no son mediciones reales ni investigaciones estudiantiles reales.

¿Qué explicaría esta observación?

• Comprimir un gas puede calentarlo incluso sin un calefactor. El trabajo es otra vía para transferir energía hacia el sistema.

Construya el modelo

• La energía interna es una propiedad del sistema elegido.
• El calor y el trabajo describen la transferencia de energía a través de su frontera.
• Para un gas ideal monoatómico, la energía interna depende de la temperatura y la cantidad.
• Adiabático: Un proceso sin transferencia de calor.
• Energía interna: Energía cinética y potencial microscópica total de un sistema.

Elija evidencias que puedan probarlo

• Establezca una convención de signos antes de usar la primera ley.
• Aquí, el cambio en la energía interna es igual al calor que entra al sistema menos el trabajo realizado por el sistema.
• El trabajo de expansión puede reducir la energía interna cuando no entra calor.

En el laboratorio: Identifique si un proceso es isotérmico, adiabático o a volumen constante. En un gráfico de presión-volumen, el área bajo la curva del proceso da el trabajo realizado por el gas. La trayectoria importa para el trabajo incluso cuando los puntos iniciales y finales coinciden.

Trabaje desde cantidades conocidas

• Conocido: el gas gana 300 J por calentamiento y realiza 120 J de trabajo.
• Con ΔU = Q-W, ΔU = 300-120 = 180 J.
• Para la compresión adiabática, Q=0 y el trabajo realizado por el gas es negativo, por lo tanto ΔU es positivo.

Su turno: Un gas gana 500 J de calor y realiza 200 J de trabajo. Encuentre el cambio en la energía interna.

Verifique la conclusión y sus límites

• Adiabático no significa temperatura constante.
• Use la convención de signos indicada; algunos cursos escriben el trabajo realizado sobre el gas con el signo opuesto.

No es cierto: Todo proceso adiabático tiene temperatura constante. Lo adiabático fija la transferencia de calor (Q = 0), no la temperatura. Una compresión adiabática eleva la temperatura — las bombas de bicicleta se calientan — y una expansión adiabática la reduce. Es el proceso isotérmico, no el adiabático, el que mantiene la temperatura constante.

Clave:

• La energía interna es una propiedad del sistema elegido.
• Establezca una convención de signos antes de usar la primera ley.
• Tenga cuidado: adiabático no significa temperatura constante.

Escribir a partir de un cambio de energía interna de 450 J

• Un gas gana 800 J de calor y realiza 350 J de trabajo.
• Calcule el cambio en la energía interna. Adiabático significa sin transferencia de calor, no temperatura constante.

Escribir a partir de un proceso isotérmico

• Un gas se expande lentamente a temperatura constante, realizando 200 J de trabajo.
• ΔU = 0, entonces Q = W = 200 J: el calor entra exactamente al mismo ritmo que sale el trabajo; una isoterma es un equilibrio, no una ausencia de energía.

Escribir a partir del neto de un ciclo

• Durante un ciclo completo, un gas absorbe 500 J y rechaza 300 J.
• Trabajo neto = 500 − 300 = 200 J y ΔU = 0 durante el ciclo: la energía interna es una función de estado; vuelve a su valor inicial.