Primera ley de la termodinámica
Cuando entra calor en un sistema y el sistema hace trabajo, la diferencia se queda dentro. Esta es la ley 1 de la termodinámica, y el cambio de la energía interna es el calor que entra menos el trabajo hecho, dU = Q - W. La energía no se crea ni se destruye. Solo cambia de forma. Lo que entra como calor y sale como trabajo deja el resto como energía interna.
El calor es energía que cruza por una diferencia de temperatura, y el trabajo es energía que cruza al cambiar el volumen. Los dos son traslados de energía. Así la ley 1 pone los dos en una balanza contra la energía interna. La diferencia entre el calor que entra y el trabajo que sale es lo que queda dentro.
Como se elijan los signos, los libros tienen que cuadrar. El corazón es que en todo caso dU = Q - W se cumple exacto. Un aparato que toma calor y saca trabajo guarda dentro solo la diferencia. Una máquina perpetua de la clase 1, que sigue sacando trabajo sin tomar nada, es imposible desde el principio.
Entre el mismo inicio y el mismo final, el calor y el trabajo difieren de camino a camino, pero su diferencia Q - W, el cambio de la energía interna, es la misma en los dos caminos. La energía interna es un estado, así que basta el punto de ahora, mientras el calor y el trabajo piden el camino recorrido.
La ley 1 se vuelve más nítida en casos especiales. Aísla las paredes del todo y Q = 0, así que dU = -W, y la energía interna baja en el trabajo que hace el gas. Enciérralo en un tanque cerrado cuyo volumen no puede cambiar y W = 0, así que dU = Q, y el calor que entra se acumula dentro. Así, al calentar a volumen constante, dU = Q es la subida de temperatura. Cada vez que un término se vuelve 0, la ley 1 se vuelve más clara.
En un ciclo que vuelve al inicio, una propiedad del estado no cambia. Sigue un lazo cerrado en el plano P-V con el control y el cambio de energía interna de una vuelta es 0. Entonces la ley 1, dU = Q - W, dice que el calor neto de un ciclo iguala el trabajo neto. La historia de que hay un límite al convertir calor en trabajo sigue en la ley 2. La dirección también importa. En sentido horario en el plano P-V el sistema manda trabajo hacia fuera, y al revés lo recibe.