Termodinámica en la EVAU de Física: energía, trabajo y calor
La termodinámica en Física explica cómo se transforma la energía entre calor y trabajo, y el primer principio lo resume todo en una sola ecuación: ΔU = Q − W. Si entiendes bien esa fórmula —y sobre todo sus signos—, ya tienes medio tema ganado de cara a la EVAU.
Y no te engañes: este tema aparece casi todos los años en la prueba de acceso. No es de los más difíciles conceptualmente, pero los signos matan a más de uno el día del examen.
Lo esencial
- El primer principio de la termodinámica: ΔU = Q − W (energía interna = calor absorbido − trabajo realizado por el sistema).
- Los signos del calor y el trabajo tienen un criterio fijo. Confundirlos es el error más frecuente.
- Hay cuatro procesos termodinámicos clave: isócoro, isóbaro, isotermo y adiabático.
- Saber plantear el problema paso a paso te ahorra errores y puntos perdidos.
Qué dice el primer principio de la termodinámica
El primer principio es, básicamente, la conservación de la energía aplicada a sistemas termodinámicos.
La ecuación es: ΔU = Q − W
Donde:
- ΔU es la variación de energía interna del sistema (en julios).
- Q es el calor intercambiado con el exterior.
- W es el trabajo realizado por el sistema.
La energía interna de un gas ideal depende solo de su temperatura. Si la temperatura sube, ΔU es positivo. Si baja, negativo. Así de directo.
El criterio de signos: aquí es donde la mayoría se pierde
Este es, sin duda, el punto más peligroso del tema. Y lo es porque hay dos convenios distintos en los libros, y si mezclas uno con otro, todo sale mal.
El convenio más usado en los exámenes de selectividad en España es:
| Magnitud | Positivo | Negativo |
|---|---|---|
| Calor (Q) | El sistema absorbe calor | El sistema cede calor |
| Trabajo (W) | El sistema realiza trabajo (expande) | El sistema recibe trabajo (comprime) |
| ΔU | La energía interna aumenta | La energía interna disminuye |
Ojo: Algunos libros usan ΔU = Q + W con un convenio distinto para el trabajo. En la EVAU española lo más habitual es ΔU = Q − W, donde W es el trabajo hecho por el gas. Comprueba el convenio de tu comunidad autónoma antes del examen.
Si el gas se expande, hace trabajo sobre el exterior → W > 0. Si el gas se comprime, el exterior le hace trabajo → W < 0 (o lo que es lo mismo, el sistema "recibe" trabajo).
Los cuatro procesos termodinámicos que debes dominar
Aquí la clave está en saber qué se anula en cada proceso. Eso simplifica mucho los cálculos.
Proceso isócoro (volumen constante)
El volumen no cambia → no hay trabajo: W = 0.
La ecuación queda: ΔU = Q.
Todo el calor que entra o sale cambia la energía interna. Simple.
Proceso isóbaro (presión constante)
La presión no cambia, pero el volumen sí. El trabajo se calcula como:
W = P · ΔV
Y se aplica el primer principio completo: ΔU = Q − P·ΔV.
Proceso isotermo (temperatura constante)
La temperatura no varía → la energía interna de un gas ideal tampoco: ΔU = 0.
Entonces: Q = W. Todo el calor absorbido se convierte en trabajo (o al revés).
Proceso adiabático
No hay intercambio de calor con el exterior: Q = 0.
La ecuación queda: ΔU = −W.
Si el gas se expande y hace trabajo, su energía interna baja (se enfría).
Trabajo termodinámico: cómo calcularlo sin liarte
El trabajo en un proceso termodinámico es el área bajo la curva en un diagrama P-V.
Para los casos más habituales en la EVAU:
- Proceso isóbaro: W = P · (V₂ − V₁)
- Proceso isotermo con gas ideal: W = n·R·T · ln(V₂/V₁)
- Proceso isócoro: W = 0
El logaritmo neperiano del isotermo aparece poco en la selectividad, pero conviene conocerlo. Lo que sí cae mucho es el isóbaro y el isócoro.
Consejo: Cuando plantees un problema, escribe siempre primero qué tipo de proceso es. Así sabes automáticamente qué términos se anulan y reduces los errores.
Energía interna de un gas ideal: qué debes saber
Para un gas ideal monoatómico, la energía interna es:
U = (3/2) · n · R · T
Y para un gas diatómico:
U = (5/2) · n · R · T
En la EVAU normalmente te dicen el tipo de gas o te dan directamente el valor de ΔU. Pero es útil saber de dónde viene si te preguntan en teoría.
Lo que importa recordar: la energía interna de un gas ideal solo depende de la temperatura. Nada más. Presión y volumen no influyen directamente.
Cómo plantear un problema de termodinámica paso a paso
Y aquí viene lo que nadie te cuenta hasta que ya has suspendido una vez: no es tanto saber la teoría como tener un método claro.
Lo que hacemos en Destilify es enseñar siempre el mismo esquema:
- Lee el enunciado e identifica el tipo de proceso (¿qué se mantiene constante?).
- Escribe los datos que te dan con sus unidades (presión en Pa, volumen en m³, temperatura en K).
- Anota qué magnitud se anula según el proceso (W=0, Q=0, ΔU=0...).
- Aplica el primer principio: ΔU = Q − W.
- Comprueba los signos antes de dar el resultado.
Parece obvio, pero el 80% de los errores en termodinámica vienen de saltarse alguno de estos pasos.
Problema resuelto tipo EVAU de termodinámica
Enunciado: Un gas ideal realiza un proceso isóbaro a una presión de 2·10⁵ Pa. El volumen pasa de 0,5 m³ a 1,5 m³. Durante el proceso, el gas absorbe 4·10⁵ J de calor. Calcula el trabajo realizado por el gas y la variación de energía interna.
Solución:
Paso 1: Proceso isóbaro → presión constante, W = P · ΔV.
Paso 2: Calculamos el trabajo:
W = P · (V₂ − V₁) = 2·10⁵ Pa · (1,5 − 0,5) m³ = 2·10⁵ · 1 = 2·10⁵ J
Paso 3: Aplicamos el primer principio. El gas absorbe calor, así que Q = +4·10⁵ J:
ΔU = Q − W = 4·10⁵ − 2·10⁵ = 2·10⁵ J
Conclusión del problema: El gas realiza 2·10⁵ J de trabajo y su energía interna aumenta en 2·10⁵ J. Tiene sentido: absorbió más calor del que gastó en trabajo, así que le sobró energía interna.
Errores típicos que cuestan puntos en selectividad
La verdad es que en termodinámica no hay trucos extraños. Los fallos son siempre los mismos:
- Confundir el signo del trabajo cuando el gas se comprime (muchos ponen W positivo y no debería serlo).
- No convertir las unidades: temperatura siempre en Kelvin (K = °C + 273), volumen en m³, presión en Pa.
- Usar ΔU = Q + W con el convenio contrario al que pide el problema.
- Olvidar que en un isotermo ΔU = 0 y ponerse a calcular algo que no existe.
- No identificar el tipo de proceso al principio, lo que lleva a no saber qué término simplificar.
¿Te suena alguno? Normal. A todos nos ha pasado alguna vez.
Si quieres practicar estos errores antes de que te cuesten nota de verdad, en Destilify tienes problemas tipo EVAU con explicaciones paso a paso, organizados por tipo de proceso y nivel de dificultad.
Preguntas frecuentes sobre termodinámica en la EVAU de Física
¿El primer principio de la termodinámica entra siempre en la EVAU de Física?
La termodinámica forma parte del temario oficial de Física de bachillerato y aparece con frecuencia en la prueba de acceso, aunque el peso exacto depende de tu comunidad autónoma y de la convocatoria concreta. Consulta los exámenes de años anteriores de tu comunidad para ver qué tipo de problemas han caído.
¿Cuándo el trabajo W es negativo en termodinámica?
El trabajo es negativo cuando el exterior realiza trabajo sobre el sistema, es decir, cuando el gas se comprime y su volumen disminuye. Con el convenio ΔU = Q − W, si el gas se comprime, V₂ < V₁, por lo que W = P·ΔV < 0. Ojo con los signos porque ahí se pierden muchos puntos.
¿Qué diferencia hay entre proceso adiabático e isotermo en física?
En un proceso isotermo la temperatura es constante, pero sí hay intercambio de calor con el exterior (Q ≠ 0). En un proceso adiabático no hay intercambio de calor (Q = 0), pero la temperatura sí puede cambiar. Son dos cosas distintas y confundirlas es un error clásico en selectividad.
¿Cómo sé si la energía interna aumenta o disminuye en un problema?
Depende del resultado de ΔU = Q − W. Si es positivo, la energía interna aumenta (el gas se calienta). Si es negativo, disminuye (el gas se enfría). En un gas ideal, recuerda que ΔU y la variación de temperatura van siempre de la mano.