Cuantificando el Trabajo

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.