Trabajo y calor en el proceso termodinamico

Trabajo y calor en el proceso termodinámico

Una cantidad de gas en un cilindro con un pistón móvil es un ejemplo sencillo pero común de sistemas termodinámicos. Los motores de combustión interna, las maquinas de vapor y las compresoras de refrigeradores y acondicionadores de aire usan alguna versión de este tipo de sistema.
Consideremos primero el trabajo efectuado por un sistema durante uncambio de volumen. Al expandirse un gas, empuja las superficies de sus fronteras, las cuales se mueven hacia afuera; por tanto, siempre realiza trabajo positivo. Lo mismo sucede con cualquier solido o fluido que se expande a presión.
Describiremos 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 el.Tanto Q como W pueden ser: Positivo, negativos o cero. Ejemplo:

Si se agrega calor al sistema Q es positivo. Si sale calor del sistema, Q es negativo.

Si el sistema realiza trabajo, W es positivo si se realiza trabajo sobre el sistema, W es negativo

Se agrega calor al sistema y este efectúa trabajo sale calor del sistema y se realiza trabajo sobre el sistema.

Podemos entenderel trabajo efectuado por un gas en un cambio de volumen considerando sus moléculas. Cuando una de ellas choca con una superficie estacionaria, ejerce una fuerza momentánea sobre ella pero no realiza trabajo porque la superficie no se mueve. En cambio, si la superficie se mueve, como un pistón de un motor de gasolina, la molécula si realiza trabajo sobre la superficie durante el choque.

Si elpistón de la siguiente figura se mueve a la derecha, de modo que el volumen del gas aumenta, las moléculas que golpean el pistón ejercen una fuerza a lo largo de una distancia y realizan trabajo positivo sobre el pistón.

Si este se mueve a la izquierda reduciendo el volumen del gas, se realiza trabajo positivo sobre la molécula durante el choque. Por lo tanto las moléculas de gas realizantrabajo negativo sobre el pistón.

En el siguiente ejemplo se muestra un sistema cuyo volumen puede cambiar (un gas un liquido o un sólido) en un cilindro con pistón móvil. Suponga que el área transversal del cilindro es A y la presión ejercida por el sistema en la cara del pistón es p. la fuerza total F ejercida por el sistema sobre el pistón es F = pA. Si el pistón se mueve hacia afuera unadistancia infinitesimal dx, el trabajo dW realizado por dicha fuerza es
dW = Fdx = pAdx
Pero Adx = dV
Donde dV es el cambio infinitesimal de volumen del sistema. Así podemos expresar el trabajo efectuado por el sistema en este cambio infinitesimal de volumen como.
dW = pdV
En un cambio finito de volumen de Vi a Vf asi
En general la presión del sistema puede variar durante el cambio devolumen. Eso sucede, por ejemplo, en los cilindros de un motor de automóvil durante el movimiento hacia arriba y hacia debajo de los pistones. Para evaluar la integral de la ecuación debemos saber cómo varia la presión en función del volumen. Si representamos la grafica de p vs V se muestra un ejemplo sencillo. El trabajo es positivo cuando el sistema se expande. En una expansión del estado desde unaposición inicial i hasta una final f, el area bajo la curva y el trabajo son positivos.
Una compresión de i a f da un area negativa; cuando un sistema se comprime, su volumen disminuye y realiza trabajo negativo sobre su entorno.

Si la presión p permanece constante mientras el volumen cambia de Vi a Vf el trabajo efectuado por el sistema es . En cualquier proceso en el que el volumen esconstante, el sistema no efectúa trabajo porque no hay desplazamiento.

Cuando en sistema termodinámico cambia de un sistema inicial a uno final, pasa por una serie de estados intermedios, a la que llamamos trayectorias. Siempre hay un numero infinito de posibilades para dichos estados intermedios. Si todos son estados de equilibrio, el cambio podrá graficarse de la siguiente manera. El punto 1...