Conceptos de Calor y Trabajo Termodinámico

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GUIA PEDAGOGICA TERMODINAMICA
UNIDAD III. TRABAJO Y CALOR
 Trabajo: Concepto.
El trabajo se define en general, como la energía que se transfiere entre un sistema y
el medio que lo rodea, cuando entre ambos se ejerce una fuerza F.
Cuando un sistema sufre una transformación, esta puede provocar cambios en el
medio ambiente. Si tales cambios implican una variación de las fuerzas que ejerce el
medio ambiente sobre el sistema, o más precisamente sobre la frontera y el medio
ambiente, entonces ha habido producción del trabajo.
El trabajo es externo, cuando el sistema como conjunto ejerce una fuerza sobre el
medio exterior dando lugar a un desplazamiento. El trabajo es interno, cuando se
realiza entre partes distintas de un sistema, como las interacciones de las moléculas
de un gas. (Rozamiento)
 Convención de signos.
En termodinámica el trabajo siempre representa un intercambio de energía entre un
sistema y su entorno. Por convención el trabajo que realiza el entorno sobre el
sistema tiene signo positivo; mientras que si el sistema el que realiza trabajo sobre
el entorno tiene signo negativo. El trabajo no es una Función de estado, depende del
camino recorrido.
 Tipos de Trabajo:
o Mecánico: Se tiene un sistema cerrado en reposo con un cilindro de embolo móvil
que contiene un fluido compresible. El embolo se mueve muy lentamente sin
rozamiento recorriendo una distancia infinitesimal dx contra la oposición ofrecida
por la fuerza externa F por acción de la presión P. El trabajo que ejecuta el sistema
contra dicha fuerza externa es: W1

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Como la ecuación 1→2 es expansiva, el volumen aumenta y por ello dV es positivo,
y como P es siempre positiva, el trabajo realizado es positivo. Si la evolución
hubiera sido al revés, el volumen disminuiría y dV resultaría negativo, por lo que el
trabajo también es negativo. El trabajo total de una evolución se puede calcular con
la sumatoria de una gran cantidad de trabajos menores.
Se puede evaluar esta integral si: P es constante o P no es constante pero se puede
encontrar una relación matemática que ponga a P en función de V, o ambas en
función de un tercer parámetro que se pueda evaluar a lo largo de la evolución
o Trabajo Mecánico distinto al de Expansión.
El sistema esta formado por un fluido contenido en una caja, un termómetro y una
rueda de paletas; el sistema interacciona con el peso y la fuerza de gravedad w sobre
este peso; el cual al caer hace girar la rueda que a su vez agita el fluido. Esta
interacción es adiabática ya que la única relación entre el peso y el sistema es la
cuerda, la cual transmite una cantidad de calor despreciable. La energía que produce
el peso en forma de trabajo viene representada por la distancia s recorrida
multiplicada por el peso.

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o Eléctrico:
El trabajo eléctrico es producido por o contra fuerzas eléctricas. En la figura
anterior, se observa un recipiente lleno con un fluido, un termómetro y una
resistencia eléctrica que se encuentra conectado a una batería que le suministra una
cantidad constante de voltaje V, mediante unos conectores lo suficientemente finos
como para mantener el recipiente térmicamente aislado. El trabajo eléctrico
realizado por la batería sobre el sistema se puede calcular como el producto de las
cargas por el voltaje.
o Químico:
Se dice que hay trabajo químico cuando una transformación que involucra un
cambio de composición en el sistema libera energía capaz de producir trabajo, o
cuando como consecuencia de la entrega de una cierta cantidad de energía al
sistema, este experimenta una transformación que involucra un cambio e
composición.

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Calor (Q).
En termodinámica se considera como la energía que fluye al entrar en contacto 2 sustancias
que se encuentran a diferente temperatura. El calor siempre fluye del cuerpo caliente al
cuerpo frío. Por convención el calor que sale de un sistema tiene signo negativo; mientras
que el calor que ingresa a un sistema tiene signo positivo. Es una propiedad extensiva. El
calor no es una Función de Estado, depende del camino recorrido.
Ley Cero o Principio Cero de la Termodinámica.
Explica que si dos sistemas separados están en el mismo momento en equilibrio térmico
con un tercer sistema, aquellos están en equilibrio térmico uno con otro.
CalorLatenteySensible
El calor específico, el calor sensible y el calor latente son magnitudes físicas:
El calor específico de una sustancia es la cantidad de calor que hay que suministrar a una
unidad de masa de esa sustancia para elevar su temperatura en una unidad. Esa cantidad
varía tanto dependiendo de la temperatura en que se encuentra la sustancia antes de
aplicarle el calor. Por ejemplo, es necesaria una caloría para aumentar en un grado el agua a
temperatura ambiente, pero es necesaria sólo 0,5 caloría para aumentar en un grado la
temperatura del hielo a -5 grados. El calor específico también depende de la presión
atmosférica. La misma sustancia a una presión atmosférica menor tiene un menor calor
específico. Los ejemplos que aparecen a continuación son válidos para una temperatura de
25 grados y a una presión de 1 atmósfera.

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El calor sensible es la cantidad de calor que puede recibir un cuerpo sin que se afecte su
estructura molecular. Si no cambia la estructura molecular no cambia el estado (sólido,
líquido, gaseoso). Dado que no cambia la estructura molecular, se observa un cambio de
temperatura, por eso se denomina calor sensible.
El calor latente es la energía (calor) necesario para que una sustancia cambie de fase
(estado). Si el cambio es de sólido a líquido se denomina calor de fusión. Si el cambio es de
líquido a gaseoso se denomina calor de vaporización. Cuando se le aplica calor a una
sustancia que ha llegado a la temperatura en que cambia de estado, es imposible que
aumente la temperatura, sino que simplemente cambia de estado. Por ejemplo, si se
continúa aplicando calor al agua en ebullición, la misma no sobrepasará nunca los 100 °C.
Dependiendo de la sustancia, el calor latente puede medirse habitualmente en calorías por
gramo o en kilojoules por kilogramo (KJ).
Tabla con algunos materiales y su calor específico.

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Ejemplos de calor latente
Agua: calor latente de fusión: 80 calorías por gramo (son necesarias 80 calorías para que un
gramo de hielo a 0 °C se convierta en agua), calor latente de vaporización: 540 calorías por
gramo (son necesarias 540 calorías para que un gramo de agua a 100 °C se convierta en
vapor).

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