¿Qué es el trabajo en química?
Cuando se habla de trabajo en química, la palabra tiene un significado específico. El trabajo, como se usa en la ciencia, se define como la energía necesaria para moverse contra una fuerza. La cantidad de trabajo involucrado en un proceso depende de la magnitud de la fuerza y la cantidad de desplazamiento. El trabajo es una de las principales formas en que la energía entra o sale de un sistema. Cuando un sistema realiza trabajo a su entorno, su energía interna se reduce. Cuando se realiza trabajo en un sistema, su energía interna aumenta.
Hay diferentes tipos de trabajo, por ejemplo, trabajo mecánico, trabajo eléctrico, trabajo contra un campo gravitatorio o trabajo contra un campo magnético, pero todos los tipos de trabajo se miden en julios (J) como unidad estándar. Un julio es igual a 1 \kg \cdot m^2}{s^2} {/eq}. Empujar una caja por el suelo hace trabajo contra la fuerza de fricción. Levantar un libro de un estante funciona contra la gravedad. El trabajo, en una ecuación, se simboliza con la letra w .
Fórmula de trabajo en química
La fórmula de trabajo básica utilizada en química para calcular la cantidad de trabajo realizado por una fuerza constante es trabajo = Fd, o w = Fd.
Sin embargo, la ecuación variará según el tipo de trabajo que se realice. Cuando se trata de trabajo, el signo puede ser positivo o negativo. Si un sistema realiza trabajo sobre su entorno, el trabajo realizado es un valor negativo. Cuando se realiza trabajo en el sistema, el valor es una cantidad positiva.
Ejemplo de la ecuación del trabajo
Como ejemplo de cómo usar la ecuación de trabajo básica para la química, imagine que se empuja una caja por el piso. Si se usaron 10 N de fuerza para mover la caja una distancia de 4,6 metros (alrededor de 15 pies), ¿cuánto trabajo se realizó? Para resolver, simplemente coloque los números en la ecuación, w = Fd , y multiplique. La cantidad de fuerza, F , es 10 N y 4,6 metros es el desplazamiento, d , lo que hace que la ecuación sea 10 x 4,6 = 46 J.
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La unidad final para esto es julios; un newton es un kg m/s², y al multiplicarlo por la distancia (metros) cambia los metros a metros cuadrados, creando la unidad de julios.
Cómo calcular el trabajo en química
La forma en que uno calcula el trabajo con la fórmula básica implica conectar los dos números en la fórmula (w = Fd) y multiplicar. Sin embargo, hay muchos tipos diferentes de trabajo que tienen una variación de la fórmula básica. El trabajo realizado en o por un sistema tendrá una ecuación ligeramente diferente para tener en cuenta factores adicionales cuando se realiza el trabajo. Lo mismo ocurre en otras situaciones, como el trabajo realizado por gas. Las siguientes secciones analizan algunos casos específicos de trabajo y cómo calcular el trabajo en química para estas situaciones.
Trabajo realizado en un sistema
Si se realiza trabajo sobre un sistema, significa que se transfiere energía al sistema desde una fuente externa a él, provocando un cambio en la energía interna que inicialmente tiene el sistema. El cambio de energía es igual a la cantidad de trabajo que se realizó además del calor que se creó.
Si el volumen del sistema aumenta bajo presión constante, entonces el sistema pierde energía hacia su entorno y la cantidad de trabajo que se realiza se considera un valor negativo. Lo opuesto también es cierto. Si el volumen disminuye, el sistema gana energía y la cantidad de trabajo realizado es un valor positivo. Por lo tanto, en un sistema, la energía, el calor y el trabajo están estrechamente relacionados y la ecuación es Delta U = Q – W.
En esta ecuación, Delta U es el cambio de energía en el sistema, Q es el calor que entra o sale de un sistema y W es el trabajo. El cambio de energía se puede calcular restando la cantidad inicial de energía de la cantidad final de energía.
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Para aclarar el proceso, tome este ejemplo. Un recipiente está lleno de una sustancia e inicialmente tiene 3000 julios de energía. La energía en el recipiente aumenta a 3400 julios cuando se transfieren 600 julios de calor al recipiente. La cantidad de trabajo realizado sobre o por la sustancia en el recipiente se puede determinar trabajando a través de la ecuación.
- Primero, se debe calcular el cambio de energía, o Delta U. La cantidad inicial se resta de la cantidad final de energía, dando: 3400 – 3000 = 400 J.
- Luego, usa 400 J para Delta U y 600 J de calor para Q en la ecuación: 400 = 600 + W.
- Resta 600 de cada lado: -200 = W
- Finalmente, divide por -1 para obtener la respuesta final: 200 J = W.
El trabajo realizado es de 200 J. Es un valor positivo porque el sistema gana energía.
Trabajo realizado por gas
La termodinámica es una rama de la ciencia que se ocupa de la energía y el trabajo en un sistema, especialmente la respuesta a gran escala de un sistema en relación con estos dos aspectos. Muchas veces eso incluye el trabajo realizado por el gas. Los gases pueden realizar trabajo expandiéndose o comprimiéndose. Lo hacen contra una presión externa constante, por lo que el trabajo realizado por el gas también se denomina trabajo de presión-volumen o trabajo PV.
Cuando se agrega energía al gas, la temperatura aumenta y las moléculas se mueven más rápido, chocando con su entorno. Esto puede aumentar la presión y el volumen, creando trabajo. Por ejemplo, piense en un pistón, como el pistón de un automóvil que se mueve hacia arriba y hacia abajo. A medida que las moléculas de gas en un pistón se calientan y se mueven más rápido, el volumen aumenta y chocan cada vez más con el pistón. Esto transfiere energía al pistón y lo hace moverse contra la presión externa. Por lo tanto, el gas ha realizado un trabajo sobre su entorno.
Para calcular el trabajo realizado por el gas, se utiliza una variación de la fórmula básica. La fórmula específica para el gas es w = -PΔV.
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En esta ecuación, Pexterna es la presión externa (no la presión del gas en el sistema), y ΔV es el cambio en el volumen del gas. Este cambio se puede determinar simplemente restando el volumen inicial del volumen final: Δ V = V_{final} – V_{initial} {/eq}.
La unidad estándar de trabajo son los julios. Dado que el volumen generalmente se mide en litros y la presión en atmósferas, es posible que sea necesario convertir las unidades. La unidad {eq}L \cdot atm {/eq} se puede convertir a julios usando el factor de conversión de {eq}\frac{101.3 J}{1L \cdot atm} {/eq}.
Para comprender mejor cómo calcular el trabajo realizado por el gas, considere esta situación. Imagina que una bicicleta tiene un neumático pinchado. Se utiliza una bomba de bicicleta para bombear aire en el neumático, comprimiendo el aire y realizando trabajo. El gas tiene un volumen inicial de 3 L y un volumen comprimido (final) de 2,5 L. Se usa una presión externa constante de 1,1 atm para empujar hacia abajo la manija de la bomba y comprimir el aire. Para calcular cuánto trabajo se realizó sobre el gas, primero encuentre el cambio de volumen.
{eq}\Delta V = V_{final} – V_{inicial} = 2,5 – 3 = -0,5 {/eq}
Este número se usa luego en la ecuación del trabajo para calcular la cantidad de trabajo realizado:
{eq}w = -P_{externo} \cdot \Delta V = -1,1 \cdot -0,5 = 0,55 L\cdot atm {/eq}
Esta cantidad no se da en julios, por lo que el factor de conversión se puede usar para cambiar eso:
{eq}w = 0,55 L \cdot atm \cdot \frac{101,325 J}{1L \cdot atm} = 55,715 \approx 56 J {/eq}
Los {eq}L \cdot atm {/eq} en la parte superior e inferior de la ecuación se anulan entre sí, dejando los julios como unidad final.
Trabajo mecánico
El trabajo mecánico es la energía necesaria para mover un objeto una cierta distancia cuando se opone a otra fuerza, como la gravedad. En este caso específico (con la gravedad), la fuerza de la gravedad es igual a la masa del objeto multiplicada por su aceleración. Por lo tanto, la fórmula básica del trabajo se modifica para convertirse en {eq}w = m \cdot a \cdot d {/eq},
donde w es trabajo, m es la masa del objeto, a es la aceleración y d es la distancia o el desplazamiento. Cuando se trata de la gravedad en la Tierra, a es igual a {eq}9.8 \frac{m}{s^2} {/eq}.
Usando esta información, calcule cuánto trabajo se realiza para mover un peso de 5 kg una distancia de 1,5 metros, trabajando contra la gravedad. Introduce los números en la ecuación y resuelve:
{eq}w = 5 \cdot 9.8 \cdot 1.5 {/eq}
{eq}w = 73,5 J {/eq}
Resumen de la lección
El trabajo es la energía necesaria para mover un objeto contra una fuerza y es una de las principales formas en que la energía puede entrar o salir de un sistema. El trabajo depende de la cantidad de desplazamiento y la magnitud de la fuerza. Hay múltiples tipos diferentes de trabajo, incluidos el mecánico, el eléctrico y el trabajo en sistemas. La fórmula básica utilizada para calcular el trabajo es trabajo = fuerza x desplazamiento , pero la fórmula varía ligeramente según el tipo de trabajo que se esté realizando. El trabajo se mide en joulesy puede ser un valor positivo o negativo. Si un sistema realiza trabajo a su entorno, su energía interna se reduce y el trabajo es un valor negativo. Si se realiza trabajo en un sistema, su energía interna aumenta y el trabajo es un valor positivo. A menudo, el aumento o disminución de la energía implica calor. La fórmula para calcular el trabajo en un sistema se ajusta para que sea {eq}\Delta U = Q – W {/eq}, donde Delta U es el cambio de energía, Q es la temperatura y W es el trabajo. El cambio de energía se puede calcular restando la cantidad inicial de energía de la cantidad final de energía.
La termodinámica se ocupa de la energía y el trabajo en un sistema y la respuesta de un sistema. Los gases a menudo están involucrados en la termodinámica y pueden realizar trabajo a través de la expansión y la compresión contra una presión externa constante. Por lo tanto, el trabajo realizado por el gas también se denomina trabajo de presión-volumen o PV . La fórmula para calcular el trabajo realizado por el gas es {eq}w = -P_{external} \cdot \Delta V {/eq}, donde P external es la presión externa y {eq}\Delta V {/eq} es la cambio en el volumen del gas (que se puede determinar restando el volumen inicial del volumen final). Trabajo mecánicoes la energía utilizada para mover un objeto una distancia cuando se opone a otra fuerza, como la gravedad. La fuerza de la gravedad es igual a la masa de un objeto multiplicada por su aceleración, por lo que la fórmula básica del trabajo se modifica para convertirse en {eq}w = m \cdot a \cdot d {/eq} donde w es el trabajo, m es la masa del objeto, a es la aceleración y d es la distancia o el desplazamiento. Cuando se trata de la gravedad en la Tierra, a es igual a {eq}9.8 \frac{m}{s^2} {/eq}.
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