Trabajo y sus Formas Mecánicas

Cuando las moléculas alcanzan una pared sólida limítrofe y chocan con ella se genera una presión, que entendemos como la consecuencia de los impactos. Si calentamos la superficie las partículas que la integran comunican su energía vibracional a las del gas. Asociamos el aumento de temperatura con el aumento de la cantidad de energía almacenada como energía cinética. En los gases el modo predominante de almacenar energía cinética es el traslacional, ya que las partículas tienen libertad de movimiento, de manera que casi todo el aumento de temperatura se traduce en un aumento de energía cinética que se manifiesta por una mayor frecuencia de impactos con las paredes del recipiente o conducto y por ende en un aumento de presión. Como se ve, es difícil establecer categorías definidas de modos o maneras de manifestarse la energía, ya que en cierto sentido el aumento de temperatura nos dice que podremos transferir calor con mayor facilidad, ya que el flujo de calor depende de los gradientes térmicos, pero también el aumento de presión se puede usar para producir un trabajo externo. Aquí tenemos ya instalada la noción de que tanto trabajo como calor son formas de transferir energía o dicho en otras palabras, energía en tránsito. Para mayor comodidad vamos a englobar los términos energía cinética y potencial de partículas en un término que llamaremos U y es la energía interna.

Para ayudar a la comprensión de este tema puede visitar la siguiente página en internet: http://www.youtube.com/watch?v=CXaO-u4XEW8

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¿De qué variables de estado depende la energía interna? Por lo que hemos comentado, es claro que las variaciones de presión y temperatura afectan la energía interna, de modo que podemos afirmar sin temor a equivocarnos que U probablemente depende de P y T.

Si además de la energía interna consideramos los modos macroscópicos de manifestarse la energía (Potencial y cinética del conjunto, ya no de sus partículas) tenemos la siguiente identidad:



 

 

 





 

 

 





 

 

 



Energía

Energía potencial

Energía cinética

Energía

=

+

+

, E = E +E +U

total

macroscópica

macroscópica

Interna

En este apartado tratamos el trabajo desarrollado sobre o por los sistemas cerrados. Cuando un sistema sufre una transformación, esta puede provocar cambios en el medio ambiente. Si tales cambios implican una variación de las fuerzas que ejerce el medio ambiente sobre el sistema, o más precisamente sobre la frontera entre el sistema y el medio ambiente, entonces ha habido producción de trabajo. Dependiendo del origen físico de las fuerzas aplicadas al sistema o producidas por él se distinguen diferentes formas de trabajo realizado. Podemos distinguir tres clases de trabajo:

Trabajo mecánico: A los efectos de precisar el análisis y tipificar con exactitud lo que entiende la Termodinámica por trabajo mecánico se lo clasifica en dos categorías. Se puede encontrar trabajo mecánico de expansión (o de compresión, que es el proceso inverso) cuando el sistema contiene un gas que entrega trabajo al medio externo por efecto de su propia fuerza elástica. Si el trabajo es de compresión algún agente externo al sistema (me-dio ambiente) debe proveer la energía necesaria para vencer la fuerza elástica del gas.

Trabajo eléctrico: El trabajo eléctrico es producido por o contra fuerzas de origen eléctrico, como en el croquis adjunto.

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Aquí el sistema se compone de un recipiente lleno de fluido, un termómetro y una resistencia eléctrica conectada a una batería que proporciona un voltaje constante V mediante unos conductores lo suficientemente finos para mantener el sistema térmicamente aislado de la batería. La carga que puede proporcionar la batería es un parámetro externo. El trabajo eléctrico realizado por la batería sobre el sistema se puede calcular como el producto de la carga por el voltaje. La resistencia juega aquí un papel completamente análogo a la rueda de paletas del caso anterior, de modo que ambos son simplemente aparatos adecuados sobre los que puede realizarse trabajo.

Trabajo químico: Decimos que hay trabajo químico cuando una transformación que involucra un cambio de composición en el sistema se libera energía capaz de producir trabajo, o cuando como consecuencia de la entrega de una determinada cantidad de energía al sistema, este experimenta una transformación que involucra un cambio de composición. Desde este punto de vista, todos los procesos de combustión involucran la transferencia de trabajo químico. Este se produce como consecuencia del cambio irreversible de la composición del sistema, que libera una gran cantidad de energía interna.

Por último, recordamos la formula asociada al trabajo por una fuerza a lo largo de una distancia. Dos requisitos: debe haber una fuerza que actúe sobre la frontera y la frontera debe moverse.



W = F × dS

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Ejemplo resuelto

Realizar un gráfico que nos ayude a describir las relaciones de energía de cualquier proceso termodinámico en términos de la cantidad de calor Q agregada al sistema y el trabajo W realizado por él.

Solución

Un valor positivo de Q representa flujo de calor al sistema, con un suministro de energía correspondiente; un Q negativo representa flujo de calor hacía fuera del sistema (expulsado). Un valor positivo de W representa trabajo realizado por el sistema contra el entorno, como el de un gas en expansión, y por lo tanto corresponde a la energía que sale del sistema. Un W negativo, como el realizado durante la comprensión de un gas, cuando el entorno realiza trabajo sobre el gas, representa energía que entra en el sistema.

Imagen tomada del libro Física Universitária I. Sears Zemasky. Unidad 17 de termodinámica Ed. Pearson, 2009.

Ejercicio

Un gas cuyo volumen inicial es 2m3 se expande, a presión constante de 2N / m2, hasta ocupar un volumen de 6m3. ¿Cuál es el trabajo que realiza el gas?

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