Relaci N Termodin Mica

3. Leyes de la Termodinámica

3.3

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Relación Trabajo, Calor y Energía Interna

Trabajo
Trabajo mecánico
En mecánica clásica, el trabajo que realiza una fuerza se define como el producto de ésta por el camino que recorre su punto de aplicación y por el coseno del
ángulo que forman la una con el otro. El trabajo es una magnitud física escalar
que se representa con la letra W (del inglésWork) y se expresa en unidades de
energía. Matemáticamente:
W = F s cos α.
Donde W es el trabajo mecánico, F es la magnitud de la fuerza, s es la magnitud
del desplazamiento y α es el ángulo que forman entre sí la fuerza y el desplazamiento. Cuando una fuerza es perpendicular al desplazamiento del cuerpo sobre
el que se aplica, dicha fuerza no realiza trabajo alguno.
Si la partícula P recorre unacierta trayectoria en el espacio, su desplazamiento
total entre dos posiciones A y B puede considerarse como el resultado de sumar
⇀
infinitos desplazamientos elementales dr y el trabajo total realizado por la fuerza
⇀
F en ese desplazamiento será la suma de todos esos trabajos elementales; o sea
B

WAB =
A

⇀

⇀

F · dr

Trabajo de expansión y compresión
En termodinámica el trabajo que se realizacuando un gas se expande o se
comprime ejerciendo una presión desde un volumen A hasta otro volumen B viene
dado por
B

WAB = −

p dV

(3.1)

A

El trabajo es, en general, dependiente de la trayectoria y, por lo tanto, no
constituye una variable de estado. La unidad básica de trabajo en el S.I. es
newton×metro y se denomina joule o julio, y es la misma unidad que mide la
energía. Por eso seentiende que la energía es la capacidad para realizar un trabajo o que el trabajo provoca una variación de energía.
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El trabajo, desde el punto de vista mecánico, suele definirse como el producto
de una fuerza por la distancia recorrida en la dirección de la fuerza. La definición
de trabajo desde el punto de vistatermodinámico es más general: un sistema
realiza trabajo, interacción entre el sistema y su entorno, si el único efecto sobre
el entorno podría ser el levantamiento de un peso. La magnitud del trabajo es el
producto del peso por la distancia que podría levantarse.

Figura 3.1: El trabajo en los diagramas de Clayperon.

El convenio elegido para trabajo positivo es que si el sistema realiza trabajo sobresu entorno, entonces es positivo. El trabajo que realiza un émbolo que
comprime un fluido es negativo mientras que un fluido expandiéndose contra un
émbolo realiza un trabajo positivo.
El trabajo asociado con la unidad de masa (trabajo específico) se designa como
w:
w=

W
.
m

(3.2)

Calor
De la experiencia se sabe que un objeto caliente que entra en contacto con uno
frío se enfría, mientras que elobjeto frió se calienta. Un punto de vista razonable es
que algo se transfiere del objeto caliente al frío, y ese algo es lo que se llama calor,
Q. Así, se afirma que el calor siempre fluye de una temperatura mayor hacia otra
menor. Lo anterior conduce al concepto de temperatura como la fuerza necesaria
para transferir energía en forma de calor. En términos más precisos, la rapidez
con la que setransfiere calor de un cuerpo a otro es proporcional a la diferencia
de temperatura entre los dos cuerpos; cuando no hay diferencia de temperatura,
no existe transferencia neta de calor. En el sentido termodinámico, el calor nunca
se considera como algo almacenado en un cuerpo. Al igual que el trabajo, éste
existe sólo como energía en tránsito de un cuerpo a otro, o entre un sistema y
susalrededores. Cuando se añade energía a un cuerpo en forma de calor, éste se
almacena no como calor sino como energía cinética y potencial en los átomos y
moléculas que forman el cuerpo.
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A pesar de la naturaleza transitoria del calor, éste a menudo es visto en relación
con su efecto sobre el cuerpo hacia o desde el cual...