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Teoría 3 Termoquímica: Transferencia de energía como trabajo. Trabajo de expansión y compresión de un gas

Aunque en la mayor parte del tema de termoquímica vamos a considerar las transferencias o variaciones de energía calorífica de una reacción química, en este apartado vamos a hablar de otro modo distinto de variación de energía, que es el trabajo mecánico de cambio de volumen (expansión o compresión) de un gas, ya que este concepto volverá a aparecer cuando hablemos del Primer Principio de la Termodinámica (apartado 5), que es parte esencial de este tema.

¿Qué es el trabajo de compresión o expansión de un gas?

El trabajo de cambio de volumen de un gas es el trabajo necesario para que el gas pase de un volumen inicial Vi a un volumen final Vf. Si el volumen disminuye, el gas se habrá comprimido y hablaremos de trabajo de compresión; si el volumen aumenta, el gas se habrá expandido y hablaremos de trabajo de expansión.

Para ilustrar mejor este trabajo de expansión o compresión de un gas, imaginemos un gas cerrado dentro de un recipiente, una de cuyas paredes es un émbolo móvil (como el de una jeringa) pero sin masa ni rozamiento. Si se produce una variación del volumen del recipiente, el émbolo se desplazará una distancia Δx, ya que en su expansión el gas empuja el pistón contra la presión externa, que permanece constante.

Puesto que el trabajo es es fuerza por desplazamiento, podemos escribir que:

W = -Fext·Δx

Y la fuerza es presión·superficie: Fext = P·S

W = -P·S·Δx

Mientras que la superficie por la variación de x que sufre el émbolo es la variación de volumen que experimenta el recipiente:

S·Δx = ΔV

De modo que finalmente el trabajo de expansión es:

Fórmula del trabajo de expansión de un gas

Criterio de signos en el trabajo de compresión y expansión de un gas

Si aumenta el volumen, es el gas, es decir, el sistema, el que realiza un trabajo mecánico. Según el criterio de signo que adoptaremos, que es el establecido por la IUPAC, este trabajo realizado por el sistema se considera de signo negativo, es decir, W < 0.

Si disminuye el volumen, es el entorno el que ejerce un trabajo sobre el sistema, en cuyo caso, según el criterio de signos establecido por la IUPAC, consideraremos que le trabajo es positivo, W > 0.

NOTA: Es posible que en algunos textos se halle un criterio de signos distinto a este para el trabajo, considerándose que W = +P·ΔV y que por tanto W > 0 para el trabajo realizado por el sistema y W < 0 para le trabajo realizado sobre el sistema. Esto es habitual en tratados de física y de ingenierías, aunque para Química lo más habitual es considerar el criterio de signos expuesto aquí, que es el establecido por la IUPAC.

Ejemplo numérico simple de cálculo del trabajo de expansión de un gas

A continuación vamos a realizar un ejercicio numérico muy sencillo sobre el trabajo de expansión de un gas. El enunciado es:

Un gas se expande de un volumen inicial de 4 litros a un volumen de 9 litros, contra una presión externa constante de 2 atmósferas. Calcular el trabajo realizado por el sistema.

Category: Teoría de Termoquímica y Termodinámica Química.

15 Comentarios

  1. Pensaba que era una exageración pero es verdad, es mejor seguir los vídeos en la página que sólo desde YouTube :) directo a la barra de marcadores

    Alai, 1 Año Antes Responder

    • ¡Hola Alai! Me alegro de que te haya servido la recomendación, ya que hacemos el trabajo de escribir los textos de pie de página para mejorar la explicación lo mejor es que los aproveches :) Además yo creo que es más sencillo seguir así el orden. Ánimo con la carrera de física, que no es nada fácil!

      QuimiTube, 1 Año Antes Responder

  2. hay algo q no entiendo porque yo el trabajo lo vi como una integral auxilio D:

    Brian, 1 Año Antes Responder

    • Hola Brian, normalmente la mayoría de fórmulas son en forma de diferenciales e integrales, lo que ocurre es que muchas veces se simplifica para casos concretos. Supongo que tú lo viste así a nivel universitario, esto es para nivel preuniversitario.

      QuimiTube, 1 Año Antes Responder

  3. o sea se toma la expansion o compresion de un gas como si fuese una funcion de 1/x y la formula me termina quedando

    w = – nRT ln(Vfinal/Vinicial) osea seria lo mismo usar las otras formulas?

    Brian, 1 Año Antes Responder

  4. muy pronto le haré unas preguntas sobre si realmente explica bien la entropia la 2da ley de la termodinámica o el big ban, cosa que da risa.

    armando, 1 Año Antes Responder

    • Hola Armando, no tengo conocimientos sobre las aplicaciones del segundo principio de la termodinámica al Big bang, no es mi campo, esto estaría más bien orientado al campo de la física, lo lamento. Un saludo.

      QuimiTube, 1 Año Antes Responder

  5. Que es expancion nesecitto eso

    loretty, 7 Mess Antes Responder

    • ¡Hola! Expansión es que un gas aumente su volumen, a eso lo llamamos expandirse.

      QuimiTube, 7 Mess Antes Responder

  6. ¡Hola! Quería consultarte sobre el criterio de signos, tengo un libro que es el Brown, Lemay, etc; y toma al trabajo como W = F x d .
    Luego toma a la variación de energía interna como ΔU = Q + W y además dice que el calor es positivo si gana calor y es negativo si pierde calor, el trabajo es positvo si se realiza trabajo SOBRE el sistema y es negativo si el trabajo es realizado POR el sistema pero concluye que el trabajo W = – P x ΔV .
    Es entonces que mi duda es que tomo un criterio de signos contrarios a los que usted considero pero concluye en la misma ecuación que es la última mencionada y tengo entendido que esta ecuación también depende de qué criterios tomes como referencia.

    Desde ya, Gracias.

    Mar, 7 Mess Antes Responder

    • ¡Hola! Este criterio de signos que comentas es el mismo que hemos empleado, a pie de vídeo indicamos:
      “Si aumenta el volumen, es el gas, es decir, el sistema, el que realiza un trabajo mecánico. Según el criterio de signo que adoptaremos, que es el establecido por la IUPAC, este trabajo realizado por el sistema se considera de signo negativo, es decir, W < 0.”, es decir, que hemos considerado negativo el trabajo realizado por el sistema, como el que tú indicas para el Brown. Por tanto, la fórmula W = -PxΔV será correcta. Espero haberte aclarado. Un saludo.

      QuimiTube, 7 Mess Antes Responder

  7. que bonito tu pelo :3

    Martin, 6 Mess Antes Responder

  8. NO entiendo…los signos del trabajo…
    Creo que hay un error.
    W 0 es que el gas hace el trabajo, pues el gas nos “da” su trabajo.

    ¿Estoy en lo cierto?
    Revisa este detalle y confirma…
    Gracias

    José David Tejada, 2 Semanas Antes Responder

    • ¡Hola! En el vídeo digo que hay dos criterios, uno que se suele usar en ingeniería y otro el de la IUPAC, que es el que indico en el vídeo. Por eso esta “incongruencia”, tal vez tú en clase hayas usado el otro criterio. Sin embargo, el criterio que usamos en el vídeo es también correcto.

      QuimiTube, 1 Semana Antes Responder


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