Trabajo (termodinámica) para niños
En termodinámica, el trabajo es una forma importante en que un sistema termodinámico (como un motor o un gas en un recipiente) puede intercambiar energía con lo que lo rodea. Imagina que el sistema tiene la capacidad de empujar o tirar de algo en su entorno, o viceversa. Cuando esto sucede, se realiza un trabajo. Por ejemplo, este trabajo puede hacer que algo se mueva o levante un peso.
Las fuerzas que causan este trabajo pueden ser de diferentes tipos, como las electromagnéticas (relacionadas con la electricidad y el magnetismo), las gravitacionales (como la gravedad) o las mecánicas (como la presión y el volumen). En termodinámica, estas fuerzas y sus efectos externos se relacionan con cambios en las propiedades internas del sistema, como su presión o volumen.
El trabajo se mide en julios (J) en el Sistema Internacional de Unidades (SI). La rapidez con la que se realiza el trabajo se llama potencia, y se mide en vatios (W), que son julios por segundo.
Contenido
Historia del concepto de trabajo
Sadi Carnot y la fuerza motriz (1824)
El concepto de trabajo, entendido como "un peso levantado a cierta altura", fue explicado por primera vez en 1824 por el científico francés Sadi Carnot. En su famoso libro Reflexiones sobre la fuerza motriz del fuego, Carnot usó el término "fuerza motriz" para describir el trabajo. Él lo comparó con la capacidad de un motor para levantar un peso a una altura específica, y dijo que se medía multiplicando el peso por la altura.
James Joule y el equivalente mecánico del calor (1845)
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En 1845, el físico inglés James Joule realizó un experimento muy conocido. Usó un aparato donde un peso que caía hacía girar unas paletas dentro de un barril de agua aislado.
El movimiento de las paletas agitaba el agua y, debido a la fricción, el agua se calentaba y su temperatura aumentaba. Joule midió cuánto cambiaba la temperatura del agua y la altura que caía el peso. Con estos datos, pudo demostrar que el trabajo mecánico (el peso cayendo) podía convertirse en calor. Este experimento fue clave para entender la relación entre calor, trabajo y energía.
¿Cómo se relaciona el trabajo con la energía?
La conservación de la energía
Uno de los principios más importantes en termodinámica es la conservación de la energía. Esto significa que la energía total de un sistema siempre se mantiene, aunque pueda transformarse de una forma a otra. La termodinámica se enfoca en cómo la energía se transfiere, ya sea como trabajo o como calor.
Para un sistema cerrado (donde no entra ni sale materia), la primera ley de la termodinámica nos dice que el cambio en la energía interna del sistema es igual al calor que entra menos el trabajo que el sistema realiza. Si un proceso ocurre sin transferencia de calor, se llama proceso adiabático.
La energía también puede transferirse si entra o sale materia de un sistema. En ese caso, se trata de un sistema abierto.
Trabajo realizado por y sobre un sistema
Es importante diferenciar si el trabajo lo realiza el sistema sobre su entorno o si el entorno lo realiza sobre el sistema.
- Trabajo realizado por el sistema: Cuando un sistema se expande y empuja algo en su entorno (como un gas que empuja un pistón), el sistema está realizando trabajo.
- Trabajo realizado sobre el sistema: Cuando el entorno comprime un sistema (como una bomba que comprime un gas), el entorno está realizando trabajo sobre el sistema.
En física, es común considerar que el trabajo realizado por el sistema es positivo. En química, a menudo se considera que el trabajo realizado sobre el sistema es positivo. Ambas convenciones son válidas, solo hay que ser consistentes.
Tipos de trabajo en termodinámica
Trabajo de presión-volumen (PV)
Este es uno de los tipos de trabajo más comunes. Ocurre cuando el volumen de un sistema cambia. Por ejemplo, si un gas se expande, su volumen aumenta y realiza trabajo sobre su entorno. Si se comprime, su volumen disminuye y el entorno realiza trabajo sobre él.
La cantidad de trabajo de presión-volumen se calcula multiplicando la presión por el cambio de volumen.
Otros tipos de trabajo mecánico
El trabajo mecánico es cuando una fuerza actúa a lo largo de una distancia.
- Trabajo rotatorio: Se produce cuando un eje gira, como en un motor. La energía se transmite a través del giro.
- Trabajo de muelle: Cuando se estira o comprime un muelle, se realiza trabajo. La fuerza necesaria para estirar un muelle es proporcional a cuánto se estira.
- Trabajo en barras sólidas: Similar a los muelles, los materiales sólidos también pueden estirarse o contraerse bajo una fuerza, realizando trabajo.
- Trabajo de tensión superficial: En líquidos, como una película de jabón, se necesita energía para estirar su superficie debido a las fuerzas entre las moléculas.
Formas de trabajo no mecánicas
Además del trabajo mecánico, existen otras formas de trabajo relacionadas con campos de fuerza:
- Trabajo de campo eléctrico: Relacionado con el voltaje y el movimiento de carga eléctrica.
- Trabajo de polarización eléctrica: Relacionado con la intensidad del campo eléctrico y cómo se organizan las moléculas en un material.
- Trabajo magnético: Relacionado con la intensidad del campo magnético y los momentos magnéticos de los materiales.
Trabajo gravitacional
El trabajo gravitacional ocurre cuando la gravedad actúa sobre un cuerpo y cambia su posición o la distribución de su masa. Por ejemplo, si levantas un objeto, estás realizando trabajo contra la gravedad. Dentro de un sistema, si la materia se mueve debido a la gravedad, puede generar calor por fricción interna.
Galería de imágenes
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Aparato de Joule para medir el equivalente mecánico del calor.
Véase también
En inglés: Work (thermodynamics) Facts for Kids
