Quimica, 11va Edicion - Raymond Chang-FREELIBROS-269

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6.3 Introducción a la termodinámica 237
batería que suministra electrones a la bombilla de una linterna), trabajo de superi cie 
(cuando explota una burbuja de jabón). En esta sección nos enfocaremos al trabajo mecá-
nico; en el capítulo 18 estudiaremos la naturaleza del trabajo eléctrico.
Una manera de ejemplii car el trabajo mecánico se logra mediante el estudio de la 
expansión o compresión de un gas. Muchos procesos químicos y biológicos implican 
cambios en el volumen de gases. La inhalación y exhalación de aire implica la expansión 
y contracción de pequeñas bolsas que se conocen como alveolos pulmonares. Otro ejem-
plo es el motor de combustión interna de los automóviles. La sucesiva expansión y com-
presión de los cilindros debido a la combustión de la mezcla de gasolina y aire 
proporciona energía al vehículo. En la i gura 6.5 se muestra un gas en un cilindro cerrado 
con un pistón móvil que no pesa y no provoca fricción, bajo ciertas condiciones de tem-
peratura, presión y volumen. Cuando se expande, el gas empuja el pistón hacia arriba en 
contra de la presión atmosférica externa P, que es constante. El trabajo que realiza el gas 
sobre los alrededores es
w 5 2PDV (6.3)
donde DV, el cambio de volumen, está dado por Vf 2 Vi. El signo menos en la ecuación 
(6.3) se debe al convenio para w. Para la expansión de un gas (trabajo hecho por el sis-
tema), DV . 0, por lo tanto, 2PDV es una cantidad negativa. Para la compresión de un 
gas (se realiza un trabajo sobre el sistema), DV , 0 y 2PDV es una cantidad positiva.
La ecuación (6.3) se obtuvo al considerar que presión 3 volumen se expresa como 
(fuerza/área) 3 volumen; es decir,
donde F es la fuerza de oposición y d tiene dimensiones de longitud, d2 tiene dimensiones 
de área y d3 tiene dimensiones de volumen. Así, el producto de presión por volumen es 
igual a fuerza por distancia, o trabajo. Observe que para un incremento dado del volumen 
(es decir, para cierto valor de DV), el trabajo realizado depende de la magnitud de la 
presión de oposición externa P. Si P es cero (es decir, si el gas se expande contra el vacío), 
el trabajo realizado también debe ser cero. Si P es algo positiva, con un valor diferente 
de cero, entonces, el trabajo realizado está dado por 2PDV.
De acuerdo con la ecuación (6.3), las unidades para el trabajo realizado por o sobre 
un gas son litros-atmósferas. Para expresar el trabajo realizado en joules, que son unidades 
más comunes, utilizamos un factor de conversión (vea el apéndice 2).
1 L ? atm 5 101.3 J
Figura 6.5 Expansión de un gas contra una presión externa constante (como la presión 
atmosférica). El gas está en un cilindro cerrado con un pistón movil y sin peso. El trabajo realizado 
está dado por 2PDV. Debido a que DV > 0, el trabajo realizado es una cantidad negativa.
P
P
VΔ
 P 3 V 5
F
d 2
 3 d 3 5 F 3 d 5 w
volumen presión