las leyes de la termodinámica son engañosamente simples de declarar, pero son de gran alcance en sus consecuencias. La primera ley afirma que si el calor es reconocido como una forma de energía, entonces la energía total de un sistema más su entorno se conserva; en otras palabras, la energía total del universo permanece constante.
la primera ley se pone en acción al considerar el flujo de energía a través del límite que separa un sistema de su entorno., Considere el ejemplo clásico de un gas encerrado en un cilindro con un pistón móvil. Las paredes del cilindro actúan como el límite que separa el gas dentro del mundo exterior, y el pistón móvil proporciona un mecanismo para que el gas funcione expandiéndose contra la fuerza que sostiene el pistón (supuesto sin fricción) en su lugar. Si el gas funciona W a medida que se expande, y / o absorbe calor Q de su entorno a través de las paredes del cilindro, entonces esto corresponde a un flujo neto de energía W − Q A través del límite hacia el entorno., Para conservar la energía total U, debe haber un cambio de contrapeso ΔU = Q − W (1) en la energía interna del gas. La primera ley proporciona una especie de sistema estricto de contabilidad de energía en el que el cambio en la cuenta de energía (ΔU) es igual a la diferencia entre los depósitos (Q) y los retiros (W).
hay una distinción importante entre la cantidad ΔU y las cantidades de energía relacionadas Q Y W., Dado que la energía interna U se caracteriza enteramente por las cantidades (o parámetros) que determinan de manera única el estado del sistema en equilibrio, se dice que es una función de estado tal que cualquier cambio en la energía se determina enteramente por los Estados inicial (I) y final (f) del sistema: ΔU = uF − Ui. Sin embargo, Q Y W no son funciones de estado. Al igual que en el ejemplo de un globo que revienta, el gas en el interior puede no hacer ningún trabajo en absoluto en alcanzar su estado expandido final, o podría hacer el trabajo máximo expandiéndose dentro de un cilindro con un pistón móvil para alcanzar el mismo estado final., Todo lo que se requiere es que el cambio en la energía (ΔU) siga siendo el mismo. Por analogía, el mismo cambio en la cuenta bancaria de uno podría lograrse mediante muchas combinaciones diferentes de depósitos y retiros. Por lo tanto, Q Y W no son funciones de estado, porque sus valores dependen del proceso particular (o ruta) que conecta los mismos estados inicial y final. Así como es más significativo hablar del saldo en la cuenta bancaria de uno que su contenido de depósito o retiro, solo es significativo hablar de la energía interna de un sistema y no de su contenido de calor o trabajo.,
desde un punto de vista matemático formal, el Cambio incremental dU en la energía interna es un diferencial exacto (ver ecuación diferencial), mientras que los cambios incrementales correspondientes d’Q y d’W en calor y trabajo no lo son, porque las integrales definidas de estas cantidades dependen de la trayectoria. Estos conceptos se pueden utilizar con gran ventaja en una formulación matemática precisa de la termodinámica (ver a continuación propiedades y relaciones termodinámicas).,
Motores Térmicos
el ejemplo clásico de un motor térmico es un motor de vapor, aunque todos los motores modernos siguen los mismos principios. Las máquinas de vapor operan de manera cíclica, Con el pistón moviéndose hacia arriba y hacia abajo una vez para cada ciclo. El vapor caliente de alta presión se admite en el cilindro en la primera mitad de cada ciclo, y luego se le permite escapar nuevamente en la segunda mitad. El efecto general es tomar el calor Q1 generado por la quema de un combustible para hacer vapor, convertir parte de él para hacer el trabajo, y agotar el calor restante Q2 al medio ambiente a una temperatura más baja., La energía térmica neta absorbida es entonces Q = Q1-Q2. Dado que el motor vuelve a su estado inicial, su energía interna u no cambia (ΔU = 0). Así, por la primera ley de la termodinámica, el trabajo realizado para cada ciclo completo debe ser W = Q1-Q2. En otras palabras, el trabajo realizado para cada ciclo completo es solo la diferencia entre el calor Q1 absorbido por el motor a una temperatura alta y el calor Q2 Agotado a una temperatura más baja. El poder de la termodinámica es que esta conclusión es completamente independiente del mecanismo de trabajo detallado del motor., Se basa solo en la conservación general de la energía, con el calor considerado como una forma de energía.
con el fin de ahorrar dinero en combustible y evitar contaminar el medio ambiente con calor residual, Los motores están diseñados para maximizar la conversión del calor absorbido Q1 en trabajo útil y minimizar el calor residual Q2. La eficiencia Carnot (η) de un motor se define como la relación W/Q1, Es decir, la fracción de Q1 que se convierte en trabajo., Desde W = Q1-Q2, la eficiencia también se puede expresar en la forma 
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Si no había calor residual en absoluto, entonces Q2 = 0 y η = 1, correspondiente a 100 por ciento de eficiencia. Si bien la reducción de la fricción en un motor disminuye el calor residual, nunca se puede eliminar; por lo tanto, hay un límite en lo pequeño que puede ser Q2 y, por lo tanto, en lo grande que puede ser la eficiencia. Esta limitación es una ley fundamental de la naturaleza – de hecho, la segunda ley de la termodinámica (ver más abajo).