Calor y Trabajo: Fundamentos de la Termodinámica

Comparación entre Calor y Trabajo

El calor se define como la energía que se transmite a través del límite de un sistema que está a mayor temperatura que otro. Es decir, la diferencia de temperatura entre dos sistemas. El calor se manifiesta en el límite de un sistema y es la energía que se transmite a través de ese límite.

Principios de la Termodinámica

La termodinámica está basada en la energía calorífica y su transformación en trabajo mecánico.

Principio Cero

"Dos sistemas en equilibrio térmico con un tercero, están en equilibrio térmico entre sí". Si dos sistemas A y B están en equilibrio térmico y uno de ellos se pone en contacto aislado con un tercero C, las propiedades de los sistemas A y C no cambian, y lo mismo si se ponen en contacto B y C. Los sistemas en equilibrio están a la misma temperatura.

Primer Principio

Se establece una relación cuantitativa entre el calor y el trabajo mecánico (descubierto por Thompson).

Segundo Principio

Se establece una relación cualitativa entre el calor y el trabajo mecánico (resultando más fácil convertir trabajo mecánico en calor).

Tercer Principio

Relativo a la función entropía.

Primer Principio Aplicado a Ciclos

"El calor puede ser transformado en trabajo o viceversa y existe una relación constante entre la cantidad de calor invertida y el trabajo producido".

Se aplica el primer principio a un sistema cerrado que solo intercambia calor y trabajo con el medio exterior mientras recorre un ciclo.

Al recorrer el ciclo, el sistema vuelve a su estado inicial. Como la masa del sistema es constante, solo el calor y el trabajo atraviesan sus límites. Por lo tanto, el calor y el trabajo son convertibles (Descubierto por Joule).

Este aparato permitió hallar la relación entre unidades caloríficas y mecánicas, en donde una energía mecánica se transforma en calorífica.

Se utilizan pesas que caen a una distancia H y hacen girar las paletas situadas dentro del recipiente que contiene agua. Conclusión: "Para elevar la temperatura del agua en 1°C se necesita desarrollar una energía mecánica de 427 Kgm".

El sistema (agua) recibió trabajo y entregó calor. La relación constante entre el trabajo y el calor que entrega surge de J=W/Q => Coeficiente mecánico de calor. A=1/J ==> Equivalente térmico de trabajo.

Recibiendo calor Q del exterior, se suministra un trabajo W y, al ser el estado final igual al inicial, no pudo mantener ninguna energía adicional.

Si el sistema recibe energía, se dice que la está perdiendo y se denomina con la letra U.

Energía Interna

1. Energía cinética interna: Originada por el movimiento de rotación y traslación de las moléculas y por la vibración de los átomos.
2. Energía potencial interna: Resultante de la fuerza de atracción de las moléculas.

La suma de estas energías constituye la energía interna del sistema. Para un determinado estado del sistema existe una energía interna que, al variar su temperatura, varía su energía interna. La energía interna es una propiedad extensiva porque depende de la masa del sistema. (U2-U1= u)

Esta igualdad representa la diferencia de energía interna cuando un sistema pasa del estado 1 al 2.

Primer Principio Aplicado a Transformaciones Abiertas

En una transformación abierta, la cantidad de calor entregada al sistema se emplea en aumentar la energía interna y efectuar un trabajo mecánico.

En una transformación abierta, el trabajo externo es positivo y está representado por el área. Pero si la transformación abierta es, el trabajo desarrollado está representado por el área. Por lo tanto, el trabajo desarrollado es diferente. "El trabajo que desarrolla un sistema durante una transformación abierta no depende de su estado sino de la trayectoria". "W" depende de la presión y el volumen y "Q" es la suma de. El calor desarrollado en una transformación abierta tampoco depende del estado del sistema sino de la transformación realizada. O sea, que Q es la cantidad de calor que intercambia el sistema cuando modifica su estado térmico.

En síntesis: "La cantidad de calor y trabajo que un sistema cerrado intercambia con el medio exterior durante una transformación abierta, dependen de la trayectoria efectuada durante esta transformación".