Conceptos Fundamentales del Trabajo en Sistemas Termodinámicos y de Fluidos

Conceptos Fundamentales del Trabajo en Termodinámica y Fluidos

Trabajo Externo e Interno

Un sistema en conjunto realiza trabajo externo o mecánico cuando se desplaza venciendo las resistencias o fuerzas exteriores que lo sujetan, como ocurre en un cilindro.

Tipos de Trabajo según la Interacción con el Medio Ambiente

• Trabajo Positivo (W > 0): Trabajo realizado por el sistema sobre el medio ambiente.
• Trabajo Negativo (W < 0): Trabajo realizado por el medio ambiente sobre el sistema.

Trabajo de Expansión o Compresión

Se produce cuando el sistema aumenta de volumen venciendo la presión del medio ambiente, o cuando disminuye de volumen vencido por esa presión del medio ambiente.

Consideremos un sistema de volumen V₁ que se encuentra a presión constante (P) y, por un aumento de temperatura, se expande, realizando así un trabajo positivo.

Un elemento de su superficie límite está sometido a una fuerza F = P · dS. Cuando se expande en un valor infinitesimal o elemental dh, el trabajo diferencial realizado es dW = P · dS · dh. Considerando que P es constante y que dS · dh = dV (un incremento elemental de volumen del sistema), la expresión se simplifica a dW = P · dV.

Cuando el sistema se expande de un volumen V₁ a un volumen V₂, realiza un trabajo de expansión. Si la presión P es constante, el trabajo total W se calcula integrando la expresión: W = ∫ P dV. Para P constante, esto resulta en: W = P · (V₂ - V₁).

Trabajo de Flujo o Desplazamiento

Este tipo de trabajo se produce cuando hay flujo de masa, es decir, en el caso de un volumen o sistema de control. Una sustancia fluye hacia el sistema o sale parte del sistema hacia el exterior. A medida que la sustancia cruza los límites del sistema, se genera una energía (denominada trabajo de flujo o desplazamiento).

Para que un volumen V pueda atravesar el límite a través de un área S venciendo una presión P, es necesario efectuar un trabajo. Si P·S es la fuerza a vencer y L la longitud del fluido, dicho trabajo es: W = P · S · L = P · V.

Trabajo de Circulación

El trabajo de circulación se produce cuando a un sistema de control llega un flujo por un límite y sale otro por otro límite.

• El trabajo necesario para que un volumen V₁ penetre el sistema a través del área S₁ del límite, venciendo la presión P₁ del sistema, es: W₁ = P₁ · S₁ · L₁ = P₁ · V₁.
• El trabajo necesario para que un volumen V₂ salga del sistema a través de S₂ del límite, venciendo la presión P₂ del medio ambiente en el conducto 2, es: W₂ = P₂ · S₂ · L₂ = P₂ · V₂.

Por la convención adoptada anteriormente, el segundo trabajo (W₂) es positivo porque lo realiza el sistema sobre el medio ambiente, y el trabajo anterior (W₁) es negativo porque lo realiza el medio exterior sobre el sistema.