Concepto de Trabajo y Energía en Termodinámica
La energía tiene un significado preciso en física que no siempre se corresponde con el lenguaje cotidiano, y sin embargo, una definición precisa es algo difícil de alcanzar . La palabra se deriva de la palabra griega ergon , que significa trabajo, pero el término trabajo adquirió un significado técnico con el advenimiento de la mecánica newtoniana. Por ejemplo, un hombre empujando un autoPuede sentir que está haciendo mucho trabajo, pero en realidad no se hace nada a menos que el automóvil se mueva. El trabajo realizado es entonces el producto de la fuerza aplicada por el hombre multiplicada por la distancia a través de la cual se mueve el automóvil. Si no hay fricción y la superficie está nivelada, el automóvil, una vez que se pone en movimiento, continuará rodando indefinidamente a una velocidad constante. El carro rodante tiene algo que un carro estacionario no tiene: tiene una energía cinética de movimiento igual al trabajo requerido para lograr ese estado de movimiento. La introducción del concepto de energía de esta manera es de gran valor en la mecánica porque, en ausencia de fricción, la energía nunca se pierde del sistema, aunque puede convertirse de una forma a otra. Por ejemplo, si un automóvil en inercia llega a una colina, rodará una cierta distancia cuesta arriba antes de detenerse temporalmente.La energía cinética de movimiento se ha convertido en su energía potencial de posición, que es igual al trabajo requerido para levantar el automóvil a través de la misma distancia vertical. Después de detenerse, el automóvil comenzará a retroceder cuesta abajo hasta que haya recuperado por completo su energía cinética de movimiento en la parte inferior. En ausencia de fricción, se dice que tales sistemas son conservadores porque en cualquier momento dado la cantidad total de energía (cinética más potencial) permanece igual al trabajo inicial realizado para poner el sistema en movimiento.A medida que la ciencia de la física se expandió para abarcar una gama cada vez más amplia de fenómenos, se hizo necesario incluir formas adicionales de energía para mantener constante la cantidad total de energía para todos los sistemas cerrados (o para tener en cuenta los cambios en la energía total para abrir sistemas). Por ejemplo, si se trabaja para acelerar las partículas cargadas, parte de la energía resultante se almacenará en forma de campos electromagnéticos y se eliminará del sistema como radiación . A su vez, la energía electromagnética puede ser captada por un receptor remoto ( antena ) y convertida nuevamente en una cantidad equivalente de trabajo. Con su teoría de la relatividad especial , Albert EinsteinSe dio cuenta de que la energía ( E ) también puede almacenarse como masa ( m ) y convertirse de nuevo en energía, como lo expresa su famosa ecuación E = m c 2 , donde c es la velocidad de la luz . Se dice que todos estos sistemas son conservadores en el sentido de que la energía se puede convertir libremente de una forma a otra sin límite. Cada avance fundamental de la física en nuevos reinos ha implicado una extensión similar a la lista de las diferentes formas de energía. Además de preservar la primera ley de la termodinámica ( ver más abajo ), también llamada ley de conservación de la energía., cada forma de energía puede relacionarse con una cantidad equivalente de trabajo requerida para poner en marcha el sistema.La termodinámica abarca todas estas formas de energía, con la adición adicional de calor a la lista de diferentes tipos de energía. Sin embargo, el calor es fundamentalmente diferente de los demás en que la conversión del trabajo (u otras formas de energía) en calor no es completamente reversible, incluso en principio. En el ejemplo del automóvil rodante, parte del trabajo realizado para ponerlo en movimiento se pierde inevitablemente como calor debido a la fricción, y el automóvil finalmente se detiene en una superficie nivelada. Incluso si todo el calor generado fuera recolectado y almacenado de alguna manera, nunca podría convertirse completamente de nuevo en energía mecánica de movimiento. Esta limitación fundamental se expresa cuantitativamente por la segunda ley de la termodinámica ( ver más abajo)El papel de la fricción en la degradación de la energía de los sistemas mecánicos puede parecer simple y obvio, pero la conexión cuantitativa entre el calor y el trabajo, como descubrió por primera vez el conde Rumford , desempeñó un papel clave en la comprensión del funcionamiento de las máquinas de vapor en el siglo XIX y de manera similar. para todos los procesos de conversión de energía hoy.
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