2.2. Energía, trabajo y calor

El desarrollo de la termodinámica no se llevó a cabo hasta que se diferenciaron y clarificaron los conceptos de energía, trabajo y calor.

Energía

La energía se conoce como la capacidad de un sistema para producir trabajo. Cualquier sistema química, a una presión y temperatura dadas, posee: una cantidad de energía que es medible macroscópicamente, y una cantidad de energía almacenada en su interior debido a su composición, que se denomina energía interna.

La unidad de energía más conocida es la caloría (cal) y corresponde a la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de 1 g de agua en 1°C. Como esta cantidad de energía es muy pequeña se emplea la kilocaloría (kcal), considerando que 1 kcal equivale a 1000 cal.

Sin embargo, el Sistema Internacional (S.I) determina que la unidad de la energía es el Joule (J).

La energía total de un sistema es la suma de todas las energías cinéticas (Ec) y energías potenciales (Ep) de sus partes componentes y es conocida como la energía interna del sistema (U), que corresponde a una función de estado. Debido a que los sistemas están formados por gran cantidad de átomos, iones o moléculas, es difícil poder medir la cantidad y variedad de movimientos e interacciones que poseen, ni la energía exacta del sistema. Por lo tanto, lo que sí se puede medir es los cambios de energía interna que acompañan los procesos físicos y químicos, definiéndola como la diferencia entre la energía interna del sistema al término del proceso y la que tenía al principio:

 U  = U _(final) - U _(inicial)

Las unidades de la energía interna, así como otras cantidades termodinámicas, están compuestas por tres partes; un número, una unidad que da la magnitud del cambio y un signo que da la dirección. De esta manera queda de manifiesto que la energía que un sistema pierda deberá ser ganada por el entorno y viceversa: 

En una reacción química, el estado inicial del sistema se refiere a los reactivos y el estado final, a los productos:

Cuando el contenido de energía de los productos es menor que el de los reactivos, la energía interna para el proceso es negativo. Esto implica que la energía interna de los reactivos es mayor que la del producto:

Trabajo

Usualmente cuando se habla de trabajo, se entiende que debemos utilizar nuestros músculos gastando una gran cantidad de energía o hacer un cierto esfuerzo para realizar una tarea. Sin embargo, en términos químicos el trabajo se relaciona con la cantidad de fuerza por la distancia de esa fuerza:

W = F • d

El trabajo (W) se calcula multiplicando la fuerza (F) ejercida sobre el cuerpo por la distancia (d) que este recorre.

La unidad de medida en el Sistema Internacional de Unidades es el joule (J) y se define como el trabajo realizado con la fuerza de 1 newton (N) a lo largo de la distancia de 1 metro.

Diferencias entre calor y temperatura

Durante el verano la temperatura es mucho mayor que en el invierno, por eso se suele decir que en esta época “tenemos calor”, sin embargo, desde el punto de vista termodinámico esta idea no es correcta.

Lo anterior se debe, a que el calor (q) es la energía que se transfiere de un sistema a otro como consecuencia de una diferencia de temperatura, hasta que se alcanza el equilibrio térmico, es decir, cuando ambos sistemas alcanzan la misma temperatura. La temperatura, por otro lado, es la medida de la energía cinética de las moléculas de un sistema. Cuando un sistema recibe calor, aumenta la velocidad con que se mueven dichas moléculas. A mayor energía cinética mayor será la temperatura, y viceversa.

 La medición del flujo de calor se llama calorimetría y el aparato que mide el flujo de calor, se denomina calorímetro. Un ejemplo de un calorímetro es un termo o un recipiente rodeado de material aislante. 

La cantidad de energía que absorbe un cuerpo, depende de su capacidad calorífica (C) definida como la cantidad de calor necesaria para elevar su temperatura en 1 grado. De esta manera, mientras mayor es la capacidad calorífica de un cuerpo, más calor se necesita para producir un aumento de la temperatura.

Normalmente, la capacidad calorífica se expresa por mol o por gramo de sustancia, sin embargo, cuando se expresa por gramo de sustancia se le denomina calor específico (s) y si se expresa por mol de sustancia, se denomina capacidad calorífica molar (C).

    Relación entre calor, el trabajo y la energía

Cualquier sistema puede intercambiar energía con su entorno, en dos formas generales, como calor y como trabajo. La energía interna de un sistema cambia cuando se realiza transferencia térmica en forma de calor o trabajo. Así, la relación entre el cambio de energía interna, calor y trabajo, está dada por la siguiente expresión, que corresponde a la primera ley de la termodinámica:

Δ U = q • w 

De esto, se puede decir que:

- Cuando se transfiere calor del entorno al sistema, el calor tiene signo positivo;

- Cuando se transfiere calor del sistema al entorno, el calor tiene un valor negativo;

-Cuando el entorno efectúa trabajo sobre el sistema, el trabajo tiene un valor positivo;

- y, cuando el sistema efectúa trabajo sobre el entorno, el trabajo tiene un valor negativo.

Cuando el calor absorbido por el sistema y el trabajo efectuado sobre el sistema son cantidades positivas, contribuyen a aumentar el cambio de energía interna del sistema.

Cuando un sistema absorbe energía, es decir, aumenta la energía interna, significa que el entorno realiza trabajo sobre el sistema y se transfiere energía hacia el sistema en forma de calor, proceso conocido como endotérmico. Por otra parte, cuando el sistema ejerce trabajo sobre el entorno y entrega calor, el proceso habrá liberado energía al entorno, convirtiéndose en un proceso exotérmico.


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