Calor y trabajo

En los sistemas no aislados puede haber un intercambio de energía con el medio exterior, que se realiza, o bien debido a la existencia de una diferencia de temperatura, o bien debido al desplazamiento de una parte del sistema por acción de una fuerza. En el primer caso decimos que el sistema intercambia calor y en el segundo intercambia trabajo.

Los sistemas termodinámicos no poseen ni calor ni trabajo, sino energía; por tanto, estas magnitudes no pueden caracterizar el estado en que se encuentra el sistema, no son función de estado.

La cantidad de energía, q, en forma de calor que un sistema termodinámico intercambia, debido a una variación de temperatura, viene expresada por:

donde c es el calor específico en J/kg • K.

El producto m •c se llama capacidad calorífica, y si se toma la masa de un mol, entonces se llama capacidad calorífica molar.

Una forma de trabajo muy importante es la relacionada con los cambios de volumen, expansiones o compresiones, que tienen lugar en un sistema bajo la acción de una presión exterior.

El cilindro representado en la figura está cerrado por un émbolo sin rozamiento y contiene un gas que inicialmente ocupa un volumen V₁.

El gas se expansiona hasta un volumen V₂, sometido a una presión exterior constante p; si S es la superficie del émbolo, la fuerza exterior aplicada es:

y, por tanto, se realiza un trabajo:

es decir:

Para que el trabajo venga expresado en julios, la presión debe estar en paséales y el volumen en metros cúbicos.

En un diagrama de Clapeyron (representación gráfica de la presión en función del volumen), el trabajo equivale al área comprendida entre la gráfica de la transformación y el eje de abscisas. Como observamos en las gráficas adjuntas, el trabajo es distinto cuando el camino es diferente, aunque los estados inicial y final sean iguales; como ya dijimos, el trabajo no es una función de estado.