Análisis de energía en masas de control

            En la definición de sistema cerrado establecimos que en ellos no había intercambio másico. Lo único que un sistema cerrado puede intercambiar con los alrededores es energía, pero esta energía puede transferirse en forma de calor o de trabajo.

Trabajo de frontera móvil

            La energía puede entrar o salir de un sistema en forma de trabajo. Este trabajo se presenta por ejemplo en un recipiente con embolo al cual se le suministra una fuerza o bien, la expansión del fluido hace que se desplace.

            El trabajo de frontera móvil se estudia por la termodinámica en procesos cuasi estáticos pues a altas velocidades es difícil determinar las trayectorias que recorren los procesos.

            Considerando un sistema de cilindro embolo de presión P, volumen V y un embolo de área A, el trabajo de frontera viene expresado:

            dw = Fds

            Donde
            ds es el desplazamiento diferencial de embolo.
            dw es la diferencial del trabajo.

Esta expresión podemos reordenarla así
            dw = Pdv

            Donde
            dv es el cambio diferencial de volumen

Observe que cuando dividimos F / A = P y multiplicamos ds (A) = dv en realidad aplicamos el idéntico multiplicativo y no afectamos la ecuación.

            Dependiendo si se trata de expansión o de compresión, dv se considerara positivo o negativo respectivamente.

            Aplicando la integración definida en los dos estados inicial y final podemos encontrar la suma de trabajos diferenciales por incremento de volumen diferencial lo que nos dará como resultado un trabajo total.

Donde
            Wb es el trabajo total de frontera móvil.

         Es importante recordar que el trabajo es una función trayectoria, lo que significa que el trabajo dependerá del camino que tome un proceso para ir del estado 1 al estado 2. Es por eso que solo los analizamos en procesos de cuasi estáticos.

            Para procesos isobáricos (donde la presión permanece constante durante el proceso) es posible simplificar la ecuación a

            Wb = (V₂ – V₁) P

Si en cambio el proceso es Isocórico, entonces el sistema no realizo ningún trabajo.

            Por convención definiremos que un proceso de expansión nos dará como resultado un trabajo positivo o entregado por el sistema. Por otro lado, un proceso de compresión supone que se está realizando un trabajo sobre el sistema y este se considera negativo para un balance de energía el cual explicaremos posteriormente.