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564 Capítulo 20 Primera ley de la termodinámica
Respuesta Necesitaría más vapor para elevar la temperatura del agua y el vidrio a 100°C en lugar de a 50.0°C. Habría dos
cambios principales en el análisis. Primero, no tendría un término Q 3 para el vapor, porque el agua que se condensa del
vapor no se enfría por abajo de 100°C. Segundo, en Q frío , el cambio de temperatura sería 80.0°C en lugar de 30.0°C. Para
practicar, demuestre que el resultado es una masa de vapor requerida de 31.8 g.
20.4 Trabajo y calor en procesos
termodinámicos
En termodinámica el estado de un sistema se describe con variables tales como presión,
volumen, temperatura y energía interna. Como resultado, estas cantidades pertenecen a
una categoría llamada variables de estado. Para cualquier configuración dada del sistema,
es posible identificar valores de las variables de estado. (Para sistemas mecánicos, las
variables de estado incluyen energía cinética K y energía potencial U.) Un estado de un
sistema se especifica sólo si el sistema está en equilibrio térmico interno. En el caso de
un gas en un contenedor, requiere el equilibrio térmico interno que cada parte del gas
esté a la misma presión y temperatura.
Una segunda categoría de variables en situación que involucran energía es la de variables
de transferencia. Estas variables son las que aparecen en el lado derecho de la ecuación
de conservación de la energía, la ecuación 8.2. Una variable tal tiene un valor distinto
de cero si ocurre un proceso en el que la energía se transfiera a través de las fronteras del
sistema. La variable de transferencia es positiva o negativa, depende de si la energía entra
o sale del sistema. Ya que una transferencia de energía a través de la frontera representa
un cambio en el sistema, las variables de transferencia no se asocian con un estado determinado
del sistema sino, más bien, con un cambio en el estado del sistema.
En las secciones previas se explicó el calor como una variable de transferencia. En esta
sección se estudia otra importante variable de transferencia para sistemas termodinámicos,
el trabajo. El trabajo realizado sobre las partículas se ilustró con amplitud en el capítulo
7, y en este caso se investiga el trabajo realizado sobre un sistema deformable, un gas.
Considere un gas contenido en un cilindro ajustado con un pistón móvil (figura 20.3). En
equilibrio, el gas ocupa un volumen V y ejerce una presión uniforme P sobre las paredes
del cilindro y sobre el pistón. Si el pistón tiene un área de sección transversal A, la fuerza
ejercida por el gas sobre el pistón es F PA. Ahora suponga que el pistón se empuja hacia
adentro y comprime el gas cuasi estáticamente, es decir, con la suficiente lentitud que
le permita al sistema permanecer, en esencia, en equilibrio térmico interno en todo momento.
A medida que el pistón se empuja hacia abajo por una fuerza externa F S F ĵ a
través de un desplazamiento de dr S dy ĵ (figura 20.3b), el trabajo invertido en el gas es,
de acuerdo con la definición de trabajo en el capítulo 7,
Figura 20.3 En un gas
contenido en un cilindro a una
presión P se realiza trabajo a
medida que el pistón empuja
hacia abajo de modo que el gas
se comprime.
A
dy
P
V
a)
b)