El calor, el trabajo y la energía interna son conceptos de gran importancia en termodinámica. Entender las relaciones que se establecen entre ellos resulta fundamental. Sin embargo es complicado comprenderlos de forma sencilla: en ocasiones resulta fácil confundirlos. El siguiente experimento virtual presenta una serie de situaciones que permiten explicar de forma sencilla estos tres conceptos y las relaciones que pueden darse entre ellos.
El applet muestra un dispositivo que consta de un cilindro que contiene en su interior un gas. Presenta tres modos de operación que ponen de manifiesto qué son exactamente el trabajo, el calor y la energía interna.
Modo 1El cilindro tiene una cubierta móvil sobre la que se coloca una pesa de una determinada masa. El gas se expande o se comprime hasta que se llega al equilibrio entre las fuerzas que actúan sobre la cubierta: desde el interior la debida a la presión del gas contenido en el cilindro; desde el exterior la debida a la presión atmosférica junto con el peso de la pesa. Pasado un tiempo, se quita masa de la pesa. El sistema evoluciona hasta un nuevo estado de equilibrio, realizando TRABAJO a expensas de su energía interna. También puede darse el caso de que el trabajo se realice sobre el sistema si se aumenta la masa de la pesa. En este caso, aumentará la energía interna del gas.
Modo 2Bajo el cilindro se coloca una llama que transmite CALOR al gas que hay en su interior. Así, este aumenta su ENERGÍA INTERNA a volumen constante, ya que la cubierta se encuentra, ahora, fija por unos tornillos. La llama es alimentada por un combustible que la mantiene encendida.
Modo 3Es una combinación de los dos modos anteriores. Se coloca la llama bajo el cilindro y se recupera la movilidad de la cubierta. Sobre ella, además, se coloca una pesa de masa variable. Mediante la transmisión de calor se aumenta la ENERGÍA INTERNA del gas y se realiza TRABAJO al desplazarse la masa de la cubierta. Este último se obtiene a expensas de la energía interna del gas.
Para poder abordar el problema de la forma más sencilla, y a la vez realista posible, se supone un modelo con algunas aproximaciones: se supone un sistema aislado del exterior, el gas contenido en el cilindro es monoatómico, el cambio de masa en la pesa se toma instantáneo, no existe rozamiento de la cubierta móvil con las paredes, no se pierde calor, se toma una eficiencia de combustión fija a lo largo de la quema del material que alimenta a la llama y se supone que el calor se transmite de forma constante.
La caracterización de la situación física viene dada en función de una serie de parámetros de entrada que varían en función de cada uno de los modos de funcionamiento:
Modo 2
Modo 3
Los datos de salida correspondientes a los datos de entrada anteriores son:
Además, se muestran barras para cada una de las magnitudes de salida que varían en altura en función del valor que tome cada una en función del tiempo. No se muestran a escala, sino que están normalizadas al máximo para que sea posible su correcta visualización en todos los casos.
Se sugieren algunos parámetros de entrada para la simulación:
Modo 1
Modo 2
Modo 3
¿Por qué en el modo de operación 1 no se muestran las barras de la temperatura y la presión?