Trabajo Presión-Volumen en Termodinámica: Conceptos y Criterios de Signo

Trabajo Termodinámico Presión-Volumen: Conceptos Fundamentales

El trabajo termodinámico más habitual tiene lugar cuando un sistema se comprime o se expande y se denomina trabajo presión-volumen (P-V). En este nivel educativo, estudiaremos su expresión en procesos isobáricos o isóbaros, que son aquellos que se desarrollan a presión constante.

Expresión del Trabajo Presión-Volumen

El trabajo presión-volumen realizado por un sistema que se comprime o se expande a presión constante viene dado por la expresión:

Presta atención al signo del trabajo realizado por el sistema, en función del criterio de signos adoptado.

Criterios de Signo para el Trabajo Termodinámico

Criterio IUPAC

• Compresión: V_i > V_f ⇒ W_sistema > 0 ⇒ El trabajo lo recibe el sistema del entorno ⇒ Aumenta la energía interna del sistema ⇒ ΔU > 0
• Expansión: V_i < V_f ⇒ W_sistema < 0 ⇒ El trabajo lo cede el sistema al entorno ⇒ Disminuye la energía interna del sistema ⇒ ΔU < 0

Criterio Tradicional

• Compresión: V_i > V_f ⇒ W_sistema < 0 ⇒ El trabajo lo recibe el sistema del entorno ⇒ Aumenta la energía interna del sistema ⇒ ΔU > 0
• Expansión: V_i < V_f ⇒ W_sistema > 0 ⇒ El trabajo lo cede el sistema al entorno ⇒ Disminuye la energía interna del sistema ⇒ ΔU < 0

Interpretación Gráfica del Trabajo P-V

El trabajo realizado por un sistema termodinámico coincide numéricamente con el área encerrada bajo la gráfica presión-volumen entre los valores de volumen inicial V_i y final V_f. El sentido de la flecha sobre la línea indica el signo del trabajo, según el criterio elegido.

Interpretación de Gráficas de Gases Ideales

Los diagramas presión-volumen (P-V) aportan gran cantidad de información, además de servir para el cálculo del trabajo realizado por el sistema. Vamos a particularizar en el caso de los gases ideales por ser su ecuación de estado p⋅V = n⋅R⋅T la más sencilla.

• Cada punto de la gráfica marca un estado del sistema. Las variables de estado para una determinada cantidad de gas son la presión, el volumen y la temperatura. Un punto en la gráfica P-V tiene una única temperatura asociada, según la expresión , y por lo tanto cada punto marca un estado.
• Se puede demostrar que la energía interna U de un gas ideal depende únicamente de su temperatura. Así, a cada punto en la gráfica se le asocia, además de una temperatura, una energía interna.
• Se denominan isotermas a las líneas que representan igual temperatura. Siguen la expresión p_i⋅V_i = n⋅R⋅T_i = cte y corresponden con el conjunto de puntos que tienen, además, igual energía interna.
• En un proceso cíclico, la temperatura inicial y final es la misma, por lo tanto la energía interna del sistema no varía ΔU = U_f − U_i = 0, independientemente del camino seguido. Sin embargo, recuerda que el calor y el trabajo intercambiados en el proceso no son funciones de estado y sí dependen, en general, del camino.