termodinamica

Trabajo y Energía

I. Objetivos.-
Calculo de trabajo, potencia y energía.


II. Marco Teórico.-
El concepto de trabajo proviene originalmente de la Mecánica. Se define el trabajo mecánico infinitesimal que la fuerza f hace para desplazar una partícula un trayecto dl como:
W = f .dl
Donde significa que, en general, el trabajo depende de la trayectoria elegida y no solo de los estadosinicial y final.
En Termodinámica se define el trabajo termodinámico en un proceso dado como el trabajo realizado por las fuerzas que durante el proceso los alrededores ejercen sobre el sistema, Fext.
De este modo:
W > 0 si es realizado sobre el sistema.
W < 0 si es realizado por el sistema.
Se dice que el criterio de signos utilizado es un criterio egoísta.
El objetivo ahora será tratarde expresar el trabajo termodinámico en un proceso en función de las variables macroscópicas propias de la Termodinámica. Supondremos un proceso infinitesimal tal que los estados inicial y final están muy próximos y los estados intermedios son de equilibrio. Consideraremos además únicamente sistemas cerrados, sin intercambio de materia.
Comencemos como ejemplo con un gas contenido en un sistemacilindro-pistón. La fuerza que ejerce el gas sobre el pistón será F = PAi, o de otro modo, la fuerza que el pistón ejerce sobre el gas es Fext = -PAi, entonces:

W = Fext.dx = - PAdx = -PdV
Siendo dV la variación infinitesimal del volumen del cilindro. De este modo hemos expresado el trabajo en términos de una variable macroscópica intensiva (P) y otra extensiva (V). Si el trabajo es deexpansión, dV > 0 W < 0 (realizado por el sistema) y si es de compresión, dV < 0 W > 0 (realizado sobre el sistema).
Los sistemas en que el trabajo se puede expresar de esa forma se denominan expansivos. La notación indica que el trabajo no se puede expresar directamente como la variación de una coordenada termodinámica, sino que depende del camino recorrido. Se dice que es una diferencialinexacta. En un proceso finito:
WC=

Los cuerpos que se hallan situados en un campo de fuerzas de origen mecánico están sujetos a la posibilidad de llevar a cabo un trabajo, por lo que se dice que están dotados de energía mecánica, que puede ser cinética o potencial.

La energía cinética de un cuerpo es la debida a su velocidad mientras la potencial es la que posee por su posición en un campo defuerzas.

Los sistemas físicos en los que solamente se producen transformaciones de energía en sus formas cinética y potencial se denominan sistemas conservatorios.

El trabajo realizado por una fuerza aplicada sobre una partícula, por su parte, es equivalente a la variación de energía cinética de la misma.

W = Ec

La energía potencial y la energía cinética son dos elementos aconsiderar, tanto en la mecánica como en la termodinámica. Estas formas de energía se originan por la posición y el movimiento de un sistema en conjunto, y se conocen como la energía externa del sistema. Un tema especial a analizar en la termodinámica es la energía interior de la materia, energía asociada con el estado interno de un sistema que se llama energía interna. Cuando se especifica un númerosuficiente de coordenadas termodinámicas, como por ejemplo, temperatura y presión, se determina el estado interno de un sistema y se fija su energía interna. (Abbott y Vanness, 1)]
En general (para un sistema no-relativista), la energía total, ET , de un sistema puede descomponerse en energía de masa, Em, energía cinética, Ek, energía potencial, Ep, y energía interna, U, es decir,
ET = Em + Ek + Ep +U
donde
Em = mc2
Ek = ½mv2
la energía potencial depende de los campos externos a los que está sometido el sistema y viene dada por una función de la posición, y la energía interna U que considera la energía de las partículas que constituyen el sistema y sus interacciones a corta distancia. En realidad, esta descomposición permite distinguir entre las formas de energía 'mecánica' (Em,...