Fundamentos de Termodinámica: Calor, Trabajo y Procesos Irreversibles

Calor y Trabajo

El calor y el trabajo no son funciones de estado. Representan la medida cuantitativa de la energía que se transmite:

• Trabajo: Transmisión de energía de forma organizada, durante la cual la partícula realiza un movimiento por una trayectoria determinada.
• Calor: Movimiento caótico de las partículas. El cuerpo con mayor temperatura «sacude» las moléculas del cuerpo frío hasta que la velocidad media de las partículas se iguala; la energía fluye del foco caliente al frío.

El calor y el trabajo son energías de transmisión que modifican el estado del sistema (energía interna). Cuando llegan a este, dejan de ser calor y trabajo y no se distinguen. Si un cuerpo cede calor, su energía interna (U) disminuye.

Trabajos en sistemas cerrados

El W_interior es el máximo que tiene el sistema (el total), del cual se derivan el W_ext y el W_roz (que es el que se disipa en forma de calor):

W_interior = W_ext + W_roz

Donde W_ext = W_útil. El W_roz es positivo porque lo realiza el sistema y no es aplicado externamente. Es importante recordar que la energía interna siempre va en función de la temperatura.

¿Por qué la entalpía es extensiva?

La entalpía se define como H = U + pV (Primer principio en función de la entalpía). Es extensiva porque:

• La energía interna (U) depende de la masa.
• El producto pV depende de la masa.

h = u + pv; dh = du + dpv + dvp

Irreversibilidad térmica y mecánica

Causas de la irreversibilidad térmica

Al poner dos cuerpos a distinta temperatura, habrá un paso de calor del cuerpo de mayor temperatura al de menor, generando energía no disponible. A mayor diferencia de temperatura, mayor irreversibilidad. Si las temperaturas son iguales, el proceso es reversible, ya que los estados intermedios están en equilibrio.

Causas de la irreversibilidad mecánica

• Por rozamientos internos (W_r ≠ 0): Irreversibilidad interior.
• Por rozamientos mecánicos (W_m ≠ 0): (de las piezas) Irreversibilidad exterior.

A mayor temperatura, el proceso es más irreversible térmicamente.

Capacidad calorífica y calor específico

La capacidad calorífica es la relación entre el calor suministrado y la variación de temperatura experimentada (es una propiedad extensiva):

C = δQ + |dW_r| / dT

Un sistema cuya capacidad calorífica es muy grande se denomina fuente térmica: un sistema que puede intercambiar energía en forma de calor sin que en él se produzcan variaciones apreciables.

Calor específico: Es la capacidad calorífica por unidad de masa:

c = C / m = (δQ + |dW_r|) / (m · dT) = δq / dT

Aplicación al primer principio

Primer principio en función de la entropía.