¿Por qué la conducción del calor no se considera una forma de trabajo?

Question

La conducción del calor no se considera una forma de trabajo, ya que no existe una fuerza macroscópica medible, sino sólo fuerzas microscópicas que se producen en las colisiones atómicas.

Este extracto es de una selección de Wikipedia de 2007, y tenía curiosidad por saber por qué la distinción entre fuerzas microscópicas y fuerzas macroscópicas hace que algo no se considere una forma de trabajo.

Answer 1

Esto es más o menos una definición. La cuestión es entonces por qué el calor y el trabajo se definen como canales distintos del aumento de la energía interna. A mi entender la distinción es en el siguiente sentido.

Sea $(S,V)$ sean nuestras variables termodinámicas. ¿Qué significa esto microscópicamente? A fin de cuentas, el volumen tiene que ver con los niveles de energía microscópicos de un sistema (cuántico). Fijando el volumen se fija el espectro energético microscópico $\{ E_i \}$ de su sistema. Entropía $S$ por otra parte, está relacionada con la forma en que estos niveles $\{ i \}$ están pobladas $S=\sum \frac{N_i}{N} \log\left( \frac{N_i}{N} \right)$ (suponemos que tenemos un número fijo de partículas $N$ que puede rellenar los niveles de cualquier manera $\{ N_i\}$ ) .

La energía total del sistema es $E_{tot}= \sum E_i N_i$ . En general, puede cambiar cuando $\{ E_i \}$ ou $\{ N_i\}$ se modifican (por cambio de volumen o de entropía, respectivamente): $$\delta E = X d V + Y d S$$ Está claro que estos dos canales son cualitativamente diferentes. En el primer caso, la energía cambia debido a la "deriva" de los niveles. En el segundo, las partículas saltan de un nivel a otro. El primero es un proceso reversible (= rastreable macroscópicamente), mientras que el segundo no lo es.

La convención es que el primer término $X dV$ se denomina trabajo $\delta W$ y el segundo $Y dS$ como calor $\delta Q$ (obviamente $X$ et $Y$ son la presión y la temperatura). Yo sostengo que corresponden a procesos microscópicos muy diferentes y que, por tanto, no deben mezclarse.

Answer 2

Desde un punto de vista puramente clásico útil trabajo sólo se realiza cuando un "cargo", digamos $K_n$ a través de una diferencia de potencial, digamos $\phi_1^n -\phi_2^n$ Estos términos de trabajo útil parcial se equilibran entre sí en un proceso reversible, pero producen un exceso de entropía en un proceso irreversible. $$\sum_n (\phi_1^n -\phi_2^n)K_n = \delta Q \ge 0 \tag{1}\label{1}$$ $\delta Q$ siendo el calor generado internamente de forma irreversible. El índice $n=0,1,2,..N$ se refiere a las posibles interacciones (térmicas, mecánicas, químicas, eléctricas, etc.), con $n=0$ que denota la interacción térmica, de modo que $\phi^0=T$ es la temperatura y $K_0=S$ es la entropía.

Visto de esta manera, la conducción de calor es un caso especial cuando por definición $K_n=0$ para $n\ge1$ y así $\phi_1^0-\phi_2^0=\delta T$ et $\delta Q=TdS$ o con la convención del signo de mayor a menor temperatura $\delta T$ = - $dT$ y al combinarlo con $\delta Q = TdS$ obtenemos la conservación de energía por $SdT=-TdS$ ou $d(TS)=0$ . En otras palabras, excluyendo todos los demás términos de trabajo en $\eqref{1}$ y sólo manteniendo la conducción del calor se conserva la energía total mientras que la entropía aumenta como debe ser en un proceso irreversible.

Answer 3

En termodinámica clásica, la distinción entre calor y trabajo es siempre algo difusa. Normalmente la reconocemos cuando la vemos, pero no podemos definirla con claridad.

Sin embargo, desde una perspectiva atomística y cuántica, la distinción está muy clara:

• Un sistema (ejemplo: un gas ideal contenido entre dos placas paralelas) está formado por muchos microsistemas discretos (en el ejemplo, moléculas).
• Cada microsistema tiene un número de estados cuánticos discretos en los que puede existir (en el ejemplo, la función de onda de una molécula puede tener la componente de su vector de onda perpendicular a las placas tal que el espacio entre las placas contenga una media longitud de onda, o dos medias longitudes de onda, o tres medias longitudes de onda, etc.).
• Cualquier estado cuántico particular de un microsistema tiene una energía almacenada característica (en el ejemplo, la energía almacenada característica de un estado cuántico es inversamente proporcional al cuadrado de la longitud de onda).
• Una de las formas de transferir energía dentro o fuera del sistema consiste en conmutar los microsistemas entre diferentes estados cuánticos (en el ejemplo, una molécula puede absorber un fonón de una de las placas, lo que hace que la molécula pase del estado de media longitud de onda entre las placas al estado de dos medias longitudes de onda entre las placas, que tiene una longitud de onda más corta y, por tanto, almacena más energía). Cuando la energía se transfiere de esta forma, se denomina "calor".
• Otro conjunto de formas de transferir energía dentro o fuera del sistema implica dejar los microsistemas en los mismos estados cuánticos, pero cambiando las energías características de los estados (en el ejemplo, se podría aplicar la fuerza necesaria para acercar las placas, de modo que aunque las moléculas permanezcan en estados con el mismo número de semilongitudes de onda entre las placas, las longitudes de onda se acortan y aumenta la energía almacenada). Cuando la energía se transfiere de ese modo, se denomina "trabajo".

Answer 4

Algunas otras respuestas se acercan a esta afirmación, pero ninguna es rotunda.

La explicación sencilla es que en estas viejas teorías físicas, los conceptos son fuertemente (y hoy, de forma bastante obvia) antropocéntricos.

"Trabajo" es originalmente algo que hace que una máquina se mueva, en el sentido en que los ingenieros de la época victoriana habrían conocido la maquinaria.

La simple transferencia de calor no es "trabajo", porque intrínsecamente no hace que la maquinaria se mueva.

El hecho de que pueda haber alteraciones o movimientos microscópicos en la sustancia es irrelevante, ya que en la época victoriana no eran visibles como movimientos mecánicos.

Dispositivos como la cinta bimetálica no entraban en la consideración de los teóricos que utilizaban la termodinámica para analizar las máquinas de vapor y otras maquinarias industriales a gran escala.

El reto para el ingeniero victoriano consistía, por lo general, en idear una maquinaria que transformara eficazmente una fuente de calor en "trabajo", es decir, en movimientos del tipo que cumplen los fines humanos para los que se diseñó la maquinaria.

Así pues, lo que es "trabajo" y lo que no lo es es algo que depende esencialmente de la finalidad del proceso o la máquina que se analiza.

Los pensadores fundadores de la termodinámica tendían a definir determinados procesos incondicionalmente como "trabajo" -como la generación de presión de vapor y la presión que impulsa los pistones- porque sabían que esos procesos eran los que impulsaban la maquinaria pertinente en aquel momento.

Es poco probable que estos procesos se produjeran accidentalmente, por lo que probablemente nunca se planteó la necesidad de considerar que un aumento de presión o el movimiento alternativo de un pistón no fueran trabajo (es decir, un subproducto no deseado del funcionamiento de una máquina).

Hoy en día, dado que la termodinámica tiende a enseñarse a los estudiantes de forma abstracta (en lugar de en el contexto de una aplicación industrial), y dado que muchos físicos se resistirían a reconocer abiertamente la presencia de un juicio humano tan descarado en lo que muchos llaman una "ciencia dura", el concepto de "trabajo" suele acabar siendo un poco confuso.

Pero la diferencia esencial entre la mera transferencia de energía, y el "trabajo", es que el trabajo es la transferencia de energía que se útil para el propósito humano . Una máquina (hecha de metal y con piezas diseñadas para moverse), está "funcionando" cuando está cumplir su propósito No sólo cuando va de un lado a otro sin rumbo, ni mucho menos cuando está parado disipando calor.

Así pues, para explicar correctamente el "trabajo" en termodinámica, hay que hablar de una máquina específica con una finalidad conocida.

Answer 5

En termodinámica, el calor se define como la transferencia de energía, sin transferencia de masa, a través de la frontera de un sistema debida únicamente a una diferencia de temperatura entre el sistema y su entorno. El trabajo se define como la transferencia de energía, sin transferencia de masa, a través de la frontera de un sistema debido a cualquier diferencia intensiva de propiedades distinta de la temperatura entre el sistema y sus alrededores.

La transferencia de energía puede producirse por calor o por trabajo, y ambos se tratan como esencialmente lo mismo en lo que respecta a un balance energético (primera ley de la termodinámica), pero debemos distinguir entre ambos ya que, según la segunda ley de la termodinámica, no podemos transformar completamente el calor en trabajo (pero sí podemos transformar completamente el trabajo en calor). Un punto de vista sencillo es que el calor está asociado a la aleatoriedad y el trabajo a la no aleatoriedad. Véase la discusión sobre la entropía en un libro de texto de termodinámica.