6.5: Cuantificando el Trabajo

A medida que un sistema sufre un cambio, su energía interna puede cambiar, y la energía puede transferirse del sistema al entorno, o del entorno al sistema. 

La transferencia de energía se produce a través del calor y el trabajo. La relación entre la energía interna, el calor y el trabajo se representa mediante la ecuación:

Mientras que el calor es una función de un cambio de temperatura observado, el trabajo es una función de un cambio de volumen observado llamado el trabajo de presión-volumen. El trabajo (w) puede definirse como una fuerza (F) que actúa a través de una distancia (D).

El trabajo de presión-volumen (o trabajo de expansión) se produce cuando un sistema empuja el entorno contra una presión de restricción o cuando el entorno comprime el sistema. Un ejemplo de esto ocurre durante el funcionamiento de un motor de combustión interna. La reacción de combustión de la gasolina y el oxígeno es exotérmica. Parte de esta energía se emite como calor, y parte se realiza como trabajo expandiendo los gases en el cilindro, empujando el pistón hacia fuera. Las sustancias implicadas en la reacción son el sistema y el motor y el resto del universo son los alrededores. El sistema pierde energía tanto al calentar como al realizar trabajo en el entorno, y su energía interna disminuye.

Cuando el volumen de un cilindro aumenta (es decir, el gas se expande), empuja contra una fuerza externa, que es la presión definida como fuerza por unidad de área.

A partir de las ecuaciones 2 y 3:

El producto de área y distancia (A × D) es igual al cambio en el volumen (ΔV) del gas en el cilindro.

Por lo tanto,

Dado que el volumen aumenta durante la expansión, V_final > V_inicial y ΔV es positivo. Sin embargo, para una expansión positiva (es decir, cuando el sistema realiza trabajo en el entorno), w debe ser negativo y, por lo tanto, se añade un signo negativo a la ecuación. 

Según esta ecuación, el trabajo de presión-volumen es el negativo de la presión externa (o presión opuesta) multiplicada por el cambio en el volumen. 

Basado en esta ecuación, la unidad de trabajo es L·atm. Otros factores de conversión útiles son: 

Este texto ha sido adaptado de Openstax, Química 2e, Sección 5.3: Entalpía.

Recordemos que la energía interna de un sistema se define como la suma de calor y trabajo. El calor se mide usando la calorimetría, pero cómo se cuantifica el trabajo? El trabajo es el resultado de una fuerza ejercida sobre un cuerpo, como al ser jalado, empujado o levantado, en una distancia determinada.

Por lo tanto, el trabajo es igual a la fuerza por la distancia. Si un palo de golf golpea una pelota a 100 pies, entonces ha producido trabajo. La energía se transfiere del palo a la pelota.

En este caso, la pelota es el sistema sobre el cual el entorno realiza el trabajo. En reacciones químicas, el trabajo puede estar relacionado con múltiples cambios físicos o químicos en un sistema. Un tipo de trabajo que se realiza comúnmente es el trabajo presión-volumen.

Consideremos la combustión en el cilindro de un motor. La combustión no solo genera calor, sino que también produce gas, el cual realiza trabajo. Cuando el volumen de gas en el cilindro se expande, la presión empuja el pistón hacia abajo, actuando contra las fuerzas externas del entorno.

La presión se define como una fuerza que actúa sobre un área. En este caso, la fuerza de los gases en expansión se distribuye sobre el área de la base del pistón. En otras palabras, la fuerza es igual a presión por área.

De este modo, el trabajo, que es fuerza por distancia, puede reescribirse como presión multiplicada por el área y la distancia sobre la que actúa. En el cilindro del motor, esto es la diferencia de altura a la que el pistón se mueve. Considerando que el área por la altura es el volumen de un cilindro, la ecuación para el trabajo puede definirse como presión por el cambio de volumen del sistema.

Sin embargo, debido a que el volumen aumenta y el pistón es empujado hacia abajo, el sistema realiza trabajo sobre su entorno, lo cual, por convención, es un valor negativo. Por lo tanto, el trabajo se define como el valor negativo de la presión P por el delta V o el cambio en el volumen final e inicial que ocurrió durante la expansión. La unidad para el trabajo presión-volumen suele ser litro-atmósfera.

Esta unidad puede convertirse a una unidad convencional de energía, Julios, usando el factor de conversión siguiente:1 litro-atmósfera es igual a 101, 3 Julios.

• Pressure-Volume Work - An energy transaction where a system impacts the surroundings by resisting pressure or being compressed by it.
• Internal Energy - The energy change that takes place during a system's transformation.
• External Pressure - The opposing force a system works against while changing volume.
• Expansion Work - The process where energy is utilised to amplify the gases in a cylinder, for example in an internal combustion engine.
• Work Calculation in Chemistry - The action where pressure and volume changes are quantified to determine energy transfer.

• Define Pressure-Volume Work – Explaining the energy transfer when a system resists pressure or compresses (e.g., pressure volume work equation).
• Contrast Internal and External Energy – Enumerate the differences between internal and external energy (e.g., the role of the surroundings).
• Explore Expansion Work – Discuss how energy fuels the magnifying of gases in a cylinder (e.g., combustion in internal combustion engines).
• Explain Pressure Changes – Understanding the impacts of pressure changes on work, volume and energy.
• Apply Work Calculation in Chemistry – Learning to calculate work from changes in pressure and volume in chemistry.

• What is pressure-volume work and how does it impact the surroundings?
• How does expansion work contribute to the operation of internal combustion engines?
• How are changes in pressure and volume calculated for work in chemistry?

• Engineering Students – Understand how pressure volume work plays a fundamental role in different engineering fields.
• Chemistry Teachers – Provides a clear explanation of work calculation in thermodynamics, useful for teaching the subject.
• Science Researchers – Useful in exploring new ways to optimize energy use in systems with changing pressure.
• Automobile Enthusiasts – Offers insights on the operation of internal combustion engines, fostering deeper understanding.