El calor y el trabajo

Un sistema termodinámico puede intercambiar energía de dos formas:

• Intercambio térmico, debido a la diferencia de temperatura entre el sistema y el entorno. La cantidad de energía que se transfiere en este caso recibe el nombre de calor, Q.

• Intercambio mecánico, a través del cual se transmite movimiento por la acción de fuerzas. La cantidad de energía transferida de esta manera se denomina trabajo, W.

Tanto el calor como el trabajo se consideran positivos cuando producen una entrada de energía en el sistema, y negativos cuando producen una salida de energía del sistema:

Tanto el calor como el trabajo tienen unidades de energía, habitualmente en julios (J, en el Sistema Internacional) o en calorías (1 cal = 4’18 J).

Calor

En general, existen tres métodos de transferencia de calor:

• Conducción: transferencia de calor por contacto entre dos cuerpos sin intercambio de materia, por el cual el calor fluye desde el cuerpo con mayor temperatura hacia el cuerpo con menor temperatura. Por eso es mejor usar unas manoplas al sacar un recipiente del horno.

• Convección: el calor se transfiere mediante el movimiento de un fluido (líquido o gas) entre zonas de distinta temperatura. De esta manera, un radiador situado en un extremo consigue calentar toda la habitación.

• Radiación: transferencia de calor mediante ondas electromagnéticas. Así, la superficie de la Tierra se calienta por la radiación del Sol.

Cuando una sustancia recibe energía como calor parte de esta energía se emplea en elevar su temperatura (calor sensible), según la expresión:

El calor específico es la cantidad de calor necesaria para elevar un grado la temperatura de un gramo de una determinada sustancia, y es una magnitud intensiva característica:

Otro efecto que puede producir el calor es provocar un cambio de estado (o de fase):

El calor necesario para este tipo de transformaciones es:

Donde L es el calor latente de cambio de estado, propio de cada sustancia y transformación.

Trabajo

El trabajo realizado por una fuerza constante F que provoca un desplazamiento Δr se define como:

En la mayoría de los procesos el trabajo se lleva a cabo a través de una expansión o una compresión:

Si consideramos un recipiente cilíndrico cerrado provisto de un émbolo móvil, de superficie S:

• En una expansión ΔV > 0, por lo que el trabajo será negativo, es decir, lo realiza el propio sistema.

• En una compresión ΔV < 0, por lo que el trabajo será positivo, ya que se realiza sobre el sistema.

Para un tratamiento más riguroso, cuando la fuerza no es constante, el trabajo se determina resolviendo la integral:

Con esta expresión podríamos determinar el trabajo en diferentes procesos:

La relación entre el calor y el trabajo transferidos en un proceso viene dada por el primer principio de la Termodinámica.

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