En procesos adiabáticos, cuando un gas es comprimido rápidamente, la energía interna del gas aumenta y se realiza trabajo sobre el gas. De manera similar, en la expansión la energía interna disminuye y el gas realiza trabajo. Aquí, ¿cómo cambia la energía interna del gas (energía cinética de las moléculas) y cómo se realiza trabajo por el gas o sobre el gas (el gas no está dentro de ningún cilindro con pistón)?
Respuestas
¿Demasiados anuncios?
Ashmit Dutta
Puntos
75
Esta pregunta puede ser respondida por la primera ley de la termodinámica. Si se tiene un sistema, y se le añade calor y trabajo, el cambio en la energía se incrementa por el calor y el trabajo añadido, es decir: $$\Delta U = \Delta W + \Delta Q.$$ Los procesos adiabáticos se sabe que son isentrópicos, lo que significa que no se transfiere calor entre el gas y sus alrededores mientras se comprime ($\Delta S = \Delta Q/T$), por lo que la energía interna cambia directamente por el trabajo realizado sobre el gas $$\Delta U = \Delta W.$$ Siempre que se realiza trabajo positivo, la energía interna aumenta y viceversa.
Pero, ¿qué determina si el trabajo es positivo o negativo? Cuando un gas es comprimido, los átomos son lentamente colocados en un espacio más pequeño. Esto cuesta energía que se transfiere directamente a los átomos del gas, por lo que cada átomo se vuelve "más caliente" y adquiere una mayor velocidad. Por lo tanto, la energía interna debe aumentar al ser comprimida. Cuando el gas se expande, la energía interna disminuirá y las moléculas reducirán su velocidad.
Bob D
Puntos
76
Independientemente de cómo se lleve a cabo la expansión o compresión adiabática (lenta o rápidamente), se aplica la primera ley. Para la versión de la primera ley (utilizada principalmente en química) donde
$$\Delta U=Q+W$$
$$Q=0$$
$$\Delta U=W$$
$W$ es positivo si se realiza trabajo sobre el sistema, es decir, trabajo de compresión, y la energía interna aumenta. $W$ es negativo si el sistema realiza trabajo, es decir, trabajo de expansión, y la energía interna disminuye.
Espero que esto ayude.
adarshr
Puntos
25912
Un proceso adiabático no intercambia calor con el entorno externo y, por lo tanto, según el primer principio de la termodinámica (válido para sistemas cerrados), la variación de la energía interna es igual al trabajo externo realizado sobre el sistema
$\Delta U = \Delta W^{ext}$.
Ahora, si el sistema evoluciona continuamente a través de estados de equilibrio, y la disipación es despreciable, el trabajo externo es igual al producto del contrario de la presión del sistema y la variación de su volumen,
$\Delta W^{ext} = - p \Delta V$,
y por lo tanto la siguiente relación se cumple para procesos adiabáticos de un sistema cerrado
$\Delta U = - p \Delta V$.
Ahora, dado que la presión siempre es positiva, podemos definir que:
- se está realizando trabajo neto sobre el sistema si $\Delta W^{ext} = - p \Delta V \gt 0$, es decir, el volumen del sistema disminuye $\Delta V \lt 0$
- el sistema está realizando trabajo neto si $\Delta W^{ext} = - p \Delta V \lt 0$, es decir, el volumen del sistema aumenta $\Delta V \gt 0$.
Como ejemplo, en un motor de pistón, podemos considerar el sistema como el gas en la cámara de combustión. Se realiza trabajo sobre el sistema durante la carrera de compresión cuando $\Delta W^{ext} = - p \Delta V = - pA dh\gt 0$, $dh\lt 0$, mientras que el sistema realiza trabajo neto durante la carrera de expansión cuando $\Delta W^{ext} = - p \Delta V = - pA dh \lt 0$, $dh\gt 0$.
lamplamp
Puntos
381
Si estás preguntando sobre la vista microscópica de un gas sin interacciones intermoleculares (el escenario más simple), entonces durante la expansión, cada partícula de gas choca con el pistón, transfiriendo algo de energía cinética para empujar el pistón hacia arriba. La partícula de gas rebota del pistón más lentamente de lo que se acercó. La pérdida de energía cinética provoca que la temperatura del gas disminuya, pero disminuye a través de colisiones con el pistón, no por pérdida de calor térmico al ambiente.
Durante la compresión, sería lo contrario, y ahora el pistón actúa como una raqueta de tenis impartiendo energía cinética para que la partícula salga del pistón con más energía cinética de la que tenía antes de la colisión. La energía cinética recién adquirida provoca que la temperatura del gas aumente.
Esto es muy diferente de las colisiones que ocurren durante el equilibrio, cuando cada partícula de gas choca con el pistón y rebota con esencialmente la misma energía, similar a golpear una pelota de tenis contra una pared.
