Tipos de trabajo: reversible e irreversible

¿Qué es trabajo?

¿Cómo funciona un coche? ¿Cómo produce energía el agua? Estas fuentes de energía se producen debido al trabajo producido por una reacción química. La definición técnica de trabajo es el desplazamiento en la dirección de una fuerza. La ecuación más común que usamos para medir el trabajo es que el trabajo es igual a la fuerza por la distancia:

W = Fd

Pero en una reacción química, no hay desplazamiento, no hay cambio de distancia. Entonces, ¿cómo se produce el trabajo con una reacción química?

¿Qué se produce con las reacciones exotérmicas? Calor. Para utilizar el calor para hacer funcionar un pistón en un automóvil, primero debemos comprender que a medida que cambia la temperatura, también lo hace la presión:

PV = nRT

Donde P significa presión, V es el volumen, n es el número de moléculas, R es una constante y T es la temperatura.

Entonces, a medida que aumenta la temperatura de la reacción de la combustión del gas en un automóvil, también aumentará la presión en un pistón. Y hay otra ecuación que podemos usar para medir el trabajo. El trabajo es igual a la presión multiplicada por el cambio de volumen:

W = P Δ V

Podemos medir el cambio de volumen cuando la reacción ocurre en un sistema cerrado como un pistón. Usando esta ecuación podemos medir el trabajo que se realizará cuando una reacción química emite calor, cambiando la presión en un sistema.

Trabajo reversible e irreversible

A medida que vamos comprimiendo estos pistones hay dos opciones: puede ser reversible o irreversible. El trabajo reversible significa que todo el sistema (incluido el sistema circundante) puede volver al estado inicial. El trabajo irreversible significa que solo podemos devolver el pistón al estado inicial si cambiamos el sistema circundante.

El verdadero trabajo reversible solo ocurre teóricamente. Echemos un vistazo al pistón del coche. Se comprime y parece que necesita volver al estado original para que pueda seguir funcionando; de lo contrario, solo podríamos usar un pistón una vez y nunca volvería a funcionar. Entonces, esperaríamos que el pistón se moviera hacia adelante y hacia atrás de esta manera:

El trabajo reversible utiliza el mismo proceso, a la inversa, para volver a la posición inicial.

Pero esto quiere decir que el pistón está regresando a la posición inicial simplemente yendo hacia atrás, usando exactamente el mismo camino que antes, nada más se ha visto afectado. En realidad, el pistón emite calor, debe enfriarse externamente. Por lo tanto, aumentando el calor (entropía) del entorno que lo rodea, el sistema se parece más a esto:

El trabajo irreversible utiliza un camino diferente para volver a la posición inicial, cambiando así el entorno circundante.

Vuelve a la posición inicial, pero necesita tomar una nueva ruta, una en la que se desprenda calor al medio ambiente.

Ecuaciones y gráficos

Para calcular el trabajo realizado por un proceso reversible o irreversible, necesitamos usar diferentes ecuaciones.

La ecuación para calcular el trabajo realizado por un proceso reversible es:

dW = PdV

En esta situación, la presión se puede calcular directamente usando la ley de los gases ideales, como se indicó anteriormente: PV = nRT .

La d se refiere a la derivada, por lo que podemos tomar la derivada del trabajo y la derivada del volumen para ver el cambio en el tiempo.

La ecuación para calcular el trabajo realizado por un proceso irreversible es ligeramente diferente. Así como la ley de los gases ideales no funciona realmente en la realidad, necesitamos usar una presión diferente para calcular el trabajo irreversible:

dW = P ext dV

En esta ecuación, necesitamos usar la presión externa que está sobre el pistón para calcular el trabajo.

Echemos un vistazo a lo que esto realmente significa. Con el trabajo reversible, la presión y el volumen siempre están cambiando, comenzando con una presión alta a un volumen bajo y avanzando hacia una presión más baja con un volumen más alto:

El trabajo reversible comienza con alta presión y la disminuye a medida que aumenta el volumen

Ahora, con trabajo irreversible necesitamos usar la presión externa para que la presión sea siempre constante a medida que aumenta el volumen:

La presión es constante para trabajos irreversibles

Dado que el trabajo es igual a la derivada, o área bajo la curva, el trabajo del trabajo reversible es mayor que el trabajo del trabajo irreversible. Entonces, en realidad, el trabajo realizado (dado que el trabajo reversible en realidad no existe) es más bajo que la situación ideal, reversible.

Resumen de la lección

El trabajo es igual al desplazamiento, o distancia, multiplicado por la fuerza. Cuando medimos el trabajo realizado por una reacción química, podemos calcular el trabajo multiplicando la presión (que aumenta debido a un aumento de temperatura debido a reacciones exotérmicas) por el cambio de volumen.

En teoría, el trabajo se puede revertir directamente. Es decir, podemos revertir el proceso sin cambiar el entorno circundante. Este es un trabajo reversible . Pero esto en realidad no existe porque el medio ambiente circundante siempre se ve afectado por la reacción química. Entonces, para volver a la posición inicial, el entorno circundante debe cambiarse, lo que es un trabajo irreversible . Al observar la derivada del trabajo realizado de manera reversible e irreversible, podemos ver que se puede hacer más trabajo con trabajo reversible que con trabajo irreversible.

Rodrigo Ricardo Editor y fundador