Termodinamica

Trabajo termodinámico: de expansión (o de comprensión)
La transferencia de energía interna asociada a una variación de volumen se denomina trabajo termodinámico. Una forma de trabajo muy importante es la relacionada con los cambios de volumen, expansiones o comprensiones, que tiene lugar en un sistema bajo la acción de una presión exterior.
Consideremos un sistema termodinámico simple (i.e. unsistema que solo puede intercambiar trabajo con sus alrededores solo por cambio de volumen el cual es denominado trabajo P-V), compuesto por un gas contenido en un recipiente cerrado (e.g. un cilindro) por arriba mediante un tabique móvil (pistón) sin rozamiento que inicialmente ocupa un volumen [pic]. Tanto el tabique móvil como las paredes fijas son paredes adiabáticas impermeables, de modoque el gas solo puede ganar energía interna si incrementa de volumen. Sobre el pistón se aplica una fuerza externa que ejerce una presión exterior ([pic]). Si la fuerza externa ejercida sobre el pistón es más grande que la fuerza ejercida en el pistón por el sistema, el pistón se acelerará hacia abajo (disminuyendo el volumen del sistema). Por el contrario si la fuerza del exterior es más pequeñaacelerará hacia arriba y el sistema realizará trabajo sobre el ambiente.
[pic]
Por ejemplo, si sobre la superficie móvil de área [pic]colocamos un peso [pic], la posición de equilibrio será aquella para la que la presión ejercida por el gas sobre el tabique compense la presión ejercida por el peso, es decir [pic]. Si ahora quitamos un incremento de peso infinitesimal sobre el tabique, la presióninterna superara en una pequeña cantidad la [pic]y el tabique se desplazará hacia arriba una pequeña distancia [pic]para reestablecer el equilibrio de presiones el gas se habrá expansionado hasta un volumen [pic], desplazando el pistón una distancia [pic]hacia arriba venciendo la presión exterior [pic]que es constante. En este proceso el peso habrá ganado una energía potencial [pic]y esta mismaenergía habrá sido perdida por el gas (ya que la energía total del gas y el peso debe conservarse) es decir:
[pic]
y por tanto se realiza un trabajo:
[pic],
de donde:
[pic]
Ya que [pic]es la variación del volumen [pic]del gas. Además el signo negativo indica que ha habido un incremento del volumen lo que implica una disminución de la energía interna [pic]del gas (sistema) es decir untrabajo hecho por el sistema sobre los alrededores.
En general, si repetimos el proceso quitando sucesivamente pesos al tabique de modo que en cada paso se mantenga el equilibrio de presiones, el trabajo total realizado será
[pic]
Debe tenerse en cuenta que la presión no se mantiene constante a lo largo del proceso global sino que varía a medida que aumentamos el peso superior y por consiguientevaría el volumen, es decir la presión es una función del volumen.
Para que el trabajo venga expresado en julios (J) la presión debe estar en pascales (Pa) y el volumen en metros cúbico [pic].
Si la energía es suministrada al gas del cilindro se invierte en realizar un trabajo contra la presión exterior y en aumentar la energía de las partículas del gas.
En la mayoría de las reacciones químicas, lapresión atmosférica se mantiene constante (se realizan en recipientes abiertos); el sistema puede aumentar de volumen, con lo que existe un trabajo de expansión (negativo pues lo realiza el sistema) o puede disminuir el volumen produciéndose un trabajo de comprensión (positivo, pues se realiza sobre el sistema).
El trabajo es otra forma que existe de intercambio entre dos sistemas, es decirotro tipo de energía en tránsito, y es debido a algún desplazamiento producido por efecto de las fuerzas.


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