Un gas confinado en un cilindro puede realizar trabajo al expandirse si el cilindro tiene un émbolo deslizante que se ajuste perfectamente a las paredes, sin fricción apreciable y sin fuga de gas. El trabajo es positivo cuando el gas se expande y cede parte de su energía interna transformándola en trabajo. Sin embargo, si comprimimos el gas mediante fuerzas externas, el trabajo se realiza sobre el sistema y es negativo.
Los procesos termodinámicos del gas se clasifican en los siguientes: procesos isobáricos, procesos isocoros, procesos isotérmicos y procesos adiabáticos.
A. Procesos isobáricos
En un proceso isobárico, la presión dentro de un cilindro o máquina de vapor permanece constante durante la expansión del aire o vapor.
Supongamos que tenemos aire o gas dentro de un cilindro con sección transversal A, y el émbolo puede desplazarse libremente sin fricción. Si la presión ejercida por el sistema sobre el émbolo es ppp, la fuerza ejercida sobre el émbolo será:F=pA [N]F = p A \, \text{[N]}F=pA[N]
El trabajo realizado por el cilindro será el producto de esta fuerza por el desplazamiento del émbolo:W=F⋅Δx=p⋅A⋅ΔxW = F \cdot \Delta x = p \cdot A \cdot \Delta xW=F⋅Δx=p⋅A⋅Δx
El trabajo realizado se calcula como el producto de la presión y la variación de volumen (ΔV=V2−V1\Delta V = V_2 – V_1ΔV=V2−V1):W=p⋅ΔVW = p \cdot \Delta VW=p⋅ΔV
Gráficamente, el trabajo realizado en un proceso isobárico es el área bajo la curva en el diagrama de presión-volumen (pV).
B. Procesos isocoros
Un proceso isocoro ocurre a volumen constante. Por ejemplo, cuando una bombona de butano se deja al sol, el calor recibido aumenta la energía interna del gas, lo que aumenta su temperatura y presión, pero el volumen no cambia porque está contenido en un recipiente rígido.
En un proceso isocoro no se realiza trabajo, ya que no hay desplazamiento. El calor suministrado o el trabajo realizado sobre el sistema se transforma en una variación de la energía interna del gas.
En un diagrama pV, un proceso isocoro se muestra como una línea vertical (volumen constante).
C. Procesos isotérmicos
Un proceso isotérmico ocurre a temperatura constante. Por ejemplo, durante la vaporización del agua en una caldera de vapor, la temperatura permanece constante.
En un proceso isotérmico, la relación entre presión y volumen sigue la ley de Boyle-Mariotte, expresada como:p⋅V=Kp \cdot V = Kp⋅V=K
El trabajo realizado durante la expansión isotérmica es:W=n⋅R⋅T⋅ln(V2V1)W = n \cdot R \cdot T \cdot \ln\left(\frac{V_2}{V_1}\right)W=n⋅R⋅T⋅ln(V1V2)
Este trabajo corresponde al área bajo la curva en un diagrama pV, que tiene la forma de una hipérbola. En los procesos isotérmicos, no hay variación en la energía interna, ya que la temperatura permanece constante.
D. Procesos adiabáticos
En un proceso adiabático, no hay intercambio de calor con el entorno, lo que significa que el sistema está completamente aislado. En estos procesos, se cumple la relación:p⋅Vγ=KyT⋅Vγ−1=Kp \cdot V^\gamma = K \quad \text{y} \quad T \cdot V^{\gamma-1} = Kp⋅Vγ=KyT⋅Vγ−1=K
donde γ\gammaγ es el coeficiente adiabático. En un diagrama pV, el pendiente de la curva adiabática es más pronunciado que en los procesos isotérmicos debido al cambio de temperatura del sistema, que aumenta en una compresión o disminuye en una expansión.
El trabajo realizado en una expansión adiabática es el área bajo la curva en el diagrama pV, que muestra un cambio más pronunciado en la temperatura.
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