Trabajo (termodinámica)

Conservación de la energíaEditar

Un principio rector preconcebido de la termodinámica es la conservación de la energía. La energía total de un sistema es la suma de su energía interna, de su energía potencial como sistema completo en un campo de fuerza externo, como la gravedad, y de su energía cinética como sistema completo en movimiento. La termodinámica se ocupa especialmente de las transferencias de energía, desde un cuerpo de materia, como, por ejemplo, un cilindro de vapor, a los alrededores del cuerpo, mediante mecanismos a través de los cuales el cuerpo ejerce fuerzas macroscópicas sobre sus alrededores para levantar un peso allí; tales mecanismos son los que se dice que median el trabajo termodinámico.

Además de la transferencia de energía como trabajo, la termodinámica admite la transferencia de energía como calor. Para un proceso en un sistema termodinámico cerrado (sin transferencia de materia), la primera ley de la termodinámica relaciona los cambios en la energía interna (u otra función energética cardinal, dependiendo de las condiciones de la transferencia) del sistema con esos dos modos de transferencia de energía, como trabajo, y como calor. El trabajo adiabático se realiza sin transferencia de materia y sin transferencia de calor. En principio, en termodinámica, para un proceso en un sistema cerrado, la cantidad de calor transferido se define por la cantidad de trabajo adiabático que se necesitaría para efectuar el cambio en el sistema que es ocasionado por la transferencia de calor. En la práctica experimental, la transferencia de calor suele estimarse calorimétricamente, a través del cambio de temperatura de una cantidad conocida de sustancia material calorimétrica.

La energía también puede transferirse hacia o desde un sistema a través de la transferencia de materia. La posibilidad de dicha transferencia define al sistema como un sistema abierto, en contraposición a un sistema cerrado. Por definición, dicha transferencia no se produce ni como trabajo ni como calor.

Los cambios en la energía potencial de un cuerpo en su conjunto con respecto a las fuerzas de su entorno, y en la energía cinética del cuerpo en movimiento en su conjunto con respecto a su entorno, se excluyen por definición de la energía cardinal del cuerpo (ejemplos son la energía interna y la entalpía).

Transferencia casi reversible de energía por trabajo en el entornoEditar

En el entorno de un sistema termodinámico, externo a él, todas las diversas formas macroscópicas mecánicas y no mecánicas de trabajo pueden convertirse unas en otras sin ninguna limitación en principio debido a las leyes de la termodinámica, de modo que la eficiencia de conversión de energía puede acercarse al 100% en algunos casos; se requiere que dicha conversión sea sin fricción, y en consecuencia adiabática. En particular, en principio, todas las formas macroscópicas de trabajo pueden convertirse en el trabajo mecánico de levantar un peso, que fue la forma original de trabajo termodinámico considerada por Carnot y Joule (véase la sección Historia más arriba). Algunos autores han considerado esta equivalencia con el levantamiento de un peso como una característica definitoria del trabajo. Por ejemplo, con el aparato del experimento de Joule en el que, a través de poleas, un peso que desciende en el entorno impulsa la agitación de un sistema termodinámico, el descenso del peso puede ser desviado mediante una reordenación de poleas, de modo que levante otro peso en el entorno, en lugar de agitar el sistema termodinámico.

Esta conversión puede idealizarse como casi sin fricción, aunque se produce con relativa rapidez. Suele producirse mediante dispositivos que no son sistemas termodinámicos simples (un sistema termodinámico simple es un cuerpo homogéneo de sustancias materiales). Por ejemplo, el descenso del peso en el experimento de agitación de Joule reduce la energía total del peso. Se describe como una pérdida de energía potencial gravitatoria por parte de la pesa, debido al cambio de su posición macroscópica en el campo gravitatorio, en contraste con, por ejemplo, la pérdida de energía interna de la pesa debido a los cambios en su entropía, volumen y composición química. Aunque se produce con relativa rapidez, debido a que la energía permanece casi totalmente disponible como trabajo de una forma u otra, tal desviación de trabajo en el entorno puede idealizarse como casi reversible, o casi perfectamente eficiente.

En cambio, la conversión de calor en trabajo en un motor térmico nunca puede superar la eficiencia de Carnot, como consecuencia de la segunda ley de la termodinámica. Dicha conversión de energía, a través de trabajo realizado con relativa rapidez, en un motor térmico práctico, por un sistema termodinámico sobre su entorno, no puede ser idealizada, ni siquiera casi, como reversible.

El trabajo termodinámico realizado por un sistema termodinámico sobre su entorno se define de forma que se cumpla este principio. Históricamente, la termodinámica trataba de cómo un sistema termodinámico podía realizar trabajo sobre su entorno.

Trabajo realizado por y sobre un sistema termodinámico simpleEditar

El trabajo realizado sobre, y el trabajo realizado por, un sistema termodinámico deben distinguirse, mediante la consideración de sus mecanismos precisos. El trabajo realizado sobre un sistema termodinámico, por dispositivos o sistemas del entorno, se realiza mediante acciones como la compresión, e incluye el trabajo del eje, la agitación y el frotamiento. Este trabajo realizado por compresión es trabajo termodinámico tal y como se define aquí. Pero el trabajo del eje, la agitación y el frotamiento no son trabajo termodinámico tal como se define aquí, ya que no cambian el volumen del sistema contra su presión de resistencia. El trabajo sin cambio de volumen se conoce como trabajo isocórico, por ejemplo cuando un organismo, en los alrededores del sistema, impulsa una acción de fricción en la superficie o en el interior del sistema.

En un proceso de transferencia de energía desde o hacia un sistema termodinámico, el cambio de energía interna del sistema se define en teoría por la cantidad de trabajo adiabático que habría sido necesario para alcanzar el estado final desde el inicial, siendo dicho trabajo adiabático medible únicamente a través de las variables mecánicas o de deformación del sistema medibles externamente, que proporcionan información completa sobre las fuerzas ejercidas por el entorno sobre el sistema durante el proceso. En el caso de algunas de las mediciones de Joule, el proceso estaba dispuesto de tal manera que parte del calentamiento que se producía fuera del sistema (en la sustancia de las paletas) por el proceso de fricción también provocaba la transferencia de calor de las paletas al sistema durante el proceso, de modo que la cantidad de trabajo realizado por el entorno sobre el sistema podía calcularse como trabajo del eje, una variable mecánica externa.

La cantidad de energía transferida como trabajo se mide a través de cantidades definidas externamente al sistema de interés, y por tanto pertenecientes a su entorno. En una importante convención de signos, preferida en química, el trabajo que se suma a la energía interna del sistema se cuenta como positivo. Por otro lado, por razones históricas, una convención de signos a menudo encontrada, preferida en física, es considerar el trabajo realizado por el sistema sobre su entorno como positivo.

Procesos no descritos por el trabajo macroscópicoEditar

Un tipo de transferencia de calor, a través del contacto directo entre un sistema cerrado y su entorno, es por los movimientos térmicos microscópicos de las partículas y sus energías potenciales intermoleculares asociadas. La explicación microscópica de estos procesos es competencia de la mecánica estadística, no de la termodinámica macroscópica. Otro tipo de transferencia de calor es la radiación. La transferencia radiativa de energía es irreversible en el sentido de que sólo se produce de un sistema más caliente a otro más frío, nunca en sentido contrario. Hay varias formas de transducción disipativa de energía que pueden ocurrir internamente dentro de un sistema a nivel microscópico, tales como la fricción, incluyendo la viscosidad de volumen y de cizallamiento, la reacción química, la expansión no restringida como en la expansión de Joule y en la difusión, y el cambio de fase.

El trabajo termodinámico no tiene en cuenta ninguna energía transferida entre sistemas como calor o a través de la transferencia de materia.

Sistemas abiertosEditar

Para un sistema abierto, la primera ley de la termodinámica admite tres formas de transferencia de energía, como trabajo, como calor y como energía asociada a la materia que se transfiere. Esta última no puede dividirse únicamente en componentes de calor y trabajo.

La convección unidireccional de energía interna es una forma de transporte de energía pero no es, como a veces se supone erróneamente (una reliquia de la teoría calórica del calor), transferencia de energía como calor, porque la convección unidireccional es transferencia de materia; tampoco es transferencia de energía como trabajo. Sin embargo, si la pared entre el sistema y sus alrededores es gruesa y contiene fluido, en presencia de un campo gravitatorio, la circulación convectiva dentro de la pared puede considerarse como mediadora indirecta de la transferencia de energía como calor entre el sistema y sus alrededores, aunque la fuente y el destino de la energía transferida no estén en contacto directo.

«Procesos» termodinámicos reversibles imaginados ficticiamente Editar

Para propósitos de cálculos teóricos sobre un sistema termodinámico, uno puede imaginar «procesos» termodinámicos idealizados ficticios que ocurren tan lentamente que no incurren en fricción dentro o en la superficie del sistema; entonces pueden ser considerados como virtualmente reversibles. Estos procesos ficticios proceden a lo largo de trayectorias en superficies geométricas que son descritas exactamente por una ecuación característica del sistema termodinámico. Estas superficies geométricas son los lugares de los posibles estados de equilibrio termodinámico del sistema. Los procesos termodinámicos realmente posibles, que ocurren a ritmos prácticos, incluso cuando ocurren sólo por trabajo evaluado en el entorno como adiabático, sin transferencia de calor, siempre incurren en fricción dentro del sistema, y por lo tanto son siempre irreversibles. Las trayectorias de estos procesos realmente posibles siempre se apartan de esas superficies geométricas características. Incluso cuando se producen sólo por el trabajo evaluado en el entorno como adiabático, sin transferencia de calor, tales desviaciones siempre conllevan la producción de entropía.

Calentamiento y rozamiento de Joule

La definición de trabajo termodinámico es en términos de los cambios de las variables de estado de deformación extensiva (y constitutivas químicas y algunas otras) del sistema, como el volumen, la constitución química molar o la polarización eléctrica. Ejemplos de variables de estado que no son variables de deformación extensiva o de otro tipo son la temperatura T y la entropía S, como por ejemplo en la expresión U = U(S, V, {Nj}). Los cambios de tales variables no son realmente medibles físicamente mediante el uso de un único proceso termodinámico adiabático simple; son procesos que no ocurren ni por trabajo termodinámico ni por transferencia de materia, y por lo tanto se dice que ocurren por transferencia de calor. La cantidad de trabajo termodinámico se define como el trabajo realizado por el sistema sobre su entorno. Según la segunda ley de la termodinámica, dicho trabajo es irreversible. Para obtener una medida física real y precisa de una cantidad de trabajo termodinámico, es necesario tener en cuenta la irreversibilidad restableciendo el sistema a su estado inicial mediante la ejecución de un ciclo, por ejemplo un ciclo de Carnot, que incluya el trabajo objetivo como una etapa. El trabajo realizado por el sistema sobre su entorno se calcula a partir de las cantidades que constituyen el ciclo completo. Se necesitaría otro ciclo para medir realmente el trabajo realizado por el entorno sobre el sistema. Esto es un recordatorio de que el frotamiento de la superficie de un sistema aparece para el agente frotador de los alrededores como trabajo mecánico, aunque no termodinámico, realizado sobre el sistema, no como calor, pero aparece para el sistema como calor transferido al sistema, no como trabajo termodinámico. La producción de calor por frotamiento es irreversible; históricamente, fue una prueba para el rechazo de la teoría calórica del calor como sustancia conservada. El proceso irreversible conocido como calentamiento Joule también se produce a través de un cambio de una variable de estado extensiva no deformante.

De acuerdo con la opinión de Lavenda, el trabajo no es un concepto tan primitivo como el calor, que puede ser medido por calorimetría. Esta opinión no niega la ya habitual definición termodinámica del calor en términos de trabajo adiabático.

Conocida como operación termodinámica, el factor iniciador de un proceso termodinámico es, en muchos casos, un cambio en la permeabilidad de una pared entre el sistema y el entorno. El rozamiento no es un cambio en la permeabilidad de la pared. El enunciado de Kelvin de la segunda ley de la termodinámica utiliza la noción de una «agencia material inanimada»; esta noción se considera a veces desconcertante. El desencadenamiento de un proceso de frotamiento sólo puede producirse en el entorno, no en un sistema termodinámico en su propio estado de equilibrio termodinámico interno. Dicho desencadenamiento puede describirse como una operación termodinámica.