En termodinámica, el trabajo es uno de los principales procesos por los que un sistema termodinámico puede interactuar con su entorno e intercambiar energía. El intercambio de energía se ve facilitado por un mecanismo a través del cual el sistema puede ejercer espontáneamente fuerzas macroscópicas sobre su entorno, o viceversa. En el entorno, este trabajo mecánico puede levantar un peso, por ejemplo.
Las fuerzas medidas externamente y los efectos externos pueden ser electromagnéticos,<ref name="Guggenheim 1985">Guggenheim, E.A. (1985). Termodinámica. An Advanced Treatment for Chemists and Physicists, séptima edición, North Holland, Amsterdam, .</ref>Jackson, J.D. (1975). Classical Electrodynamics, segunda edición, John Wiley and Sons, Nueva York, .</ref><ref name="Konopinski 1981">Konopinski, E.J. (1981). Electromagnetic Fields and Relativistic Particles, McGraw-Hill, New York, . gravitacional,North, G.R., Erukhimova, T.L. (2009). Atmospheric Thermodynamics. Elementary Physics and Chemistry, Cambridge University Press, Cambridge (Reino Unido), .</ref> o variables mecánicas (como presión-volumen).Kittel, C. Kroemer, H. (1980). Thermal Physics, segunda edición, W.H. Freeman, San Francisco, .PID=c59da7d6-fcbb-4a80-869f-8671b41a807d&lbd=1&lang=EN&ts=3/19/2010%208:08: 27%20PM&q=kittel%20and%20kroemer%20thermal%20physics%202nd%20edition&cr=1 Para el trabajo termodinámico, estas cantidades medidas externamente coinciden exactamente con los valores de o las contribuciones a los cambios en la variables de estado interna macroscópica del sistema, que siempre se producen en pares conjugados, por ejemplo presión y volumen o densidad de flujo magnético y magnetización.
Por un sistema externo que se encuentra en los alrededores, no necesariamente un sistema termodinámico como se define estrictamente por las variables de estado termodinámicas habituales, de otra manera que por transferencia de materia, se puede decir que se realiza trabajo en un sistema termodinámico. Parte de este trabajo definido por el entorno puede tener un mecanismo igual al del trabajo termodinámico definido por el sistema realizado por el sistema, mientras que el resto de este trabajo definido por el entorno aparece, para el sistema termodinámico, no como una cantidad negativa de trabajo termodinámico realizado por él, sino, más bien, como calor transferido a él. Los experimentos de agitación con paletas de Joule proporcionan un ejemplo, ilustrando el concepto de trabajo mecánico isocórico (o de volumen constante), en este caso llamado a veces trabajo de eje. Tal trabajo no es trabajo termodinámico como se define aquí, porque actúa a través de la fricción, dentro, y en la superficie del sistema termodinámico, y no actúa a través de fuerzas macroscópicas que el sistema puede ejercer espontáneamente en sus alrededores, describibles por sus variables de estado. El trabajo definido por el entorno también puede ser no mecánico. Un ejemplo es el calentamiento Joule, ya que se produce por fricción al pasar la corriente eléctrica a través del sistema termodinámico. Cuando se realiza isocóricamente, y no se transfiere materia, dicha transferencia de energía se considera una transferencia de calor al sistema de interés.
En el Sistema Internacional de Unidades (SI), el trabajo se mide en julios (símbolo: J). La velocidad a la que se realiza el trabajo es la Potencia, medida en julios por segundo y denotada con la unidad vatio (W). Historia 1824 El trabajo, es decir, "el peso levantado a través de una altura", fue definido originalmente en 1824 por Sadi Carnot en su famoso artículo Reflexiones sobre la fuerza motriz del fuego', donde utilizó el término fuerza motriz para referirse al trabajo. Concretamente, según Carnot: Usamos aquí fuerza motriz para expresar el efecto útil que un motor es capaz de producir. Este efecto puede compararse siempre a la elevación de un peso hasta cierta altura. Tiene, como sabemos, como medida, el producto del peso multiplicado por la altura a la que se eleva. 1845 250px|thumb|Aparato de Joule para medir el equivalente mecánico del calor En 1845, el físico inglés James Joule escribió un artículo Sobre el equivalente mecánico del calor para la reunión de la Asociación Británica en Cambridge.Joule, J.P. (1845) "On the Mechanical Equivalent of Heat"], Brit. Assoc. Rep., trans. Chemical Sect, p.31, que fue leído ante la Asociación Británica en Cambridge, junio En este documento, informó de su experimento más conocido, en el que la potencia mecánica liberada por la acción de un "peso cayendo a través de una altura" se utilizó para hacer girar una rueda de paletas en un barril aislado de agua.
En este experimento, el movimiento de la rueda de paletas, a través de la agitación y la fricción, calentaba la masa de agua, de modo que aumentaba su temperatura. Se registraron tanto el cambio de temperatura ∆T del agua como la altura de caída ∆h del peso mg. Utilizando estos valores, Joule pudo determinar el equivalente mecánico del calor. Joule estimó el equivalente mecánico del calor en 819 ft-lbf/Btu (4,41 J/cal). Las definiciones modernas de calor, trabajo, temperatura y energía están relacionadas con este experimento. En esta disposición de aparatos, nunca ocurre que el proceso se desarrolle a la inversa, con el agua impulsando las paletas para elevar el peso, ni siquiera ligeramente. El trabajo mecánico fue realizado por el aparato de la caída del peso, la polea y las paletas, que se encontraban en los alrededores del agua. Su movimiento apenas afectaba al volumen del agua. El trabajo que no cambia el volumen del agua se dice que es isocórico; es irreversible. La energía suministrada por la caída del peso pasó al agua en forma de calor. Descripción general Conservación de la energía Uno de los principios básicos de la termodinámica es la conservación de la energía. La energía total de un sistema es la suma de su energía interna, de su energía potencial como sistema completo en un campo de fuerzas externas, como la gravedad, y de su energía cinética como sistema completo en movimiento. La termodinámica se ocupa especialmente de las transferencias de energía, desde un cuerpo de materia, como por ejemplo un cilindro de vapor, a los alrededores del cuerpo, mediante mecanismos a través de los cuales el cuerpo ejerce fuerzas macroscópicas en sus alrededores para levantar un peso allí; se dice que tales mecanismos median en el trabajo "termodinámico".
Además de la transferencia de energía como trabajo, la termodinámica admite la transferencia de energía como calor. Para un proceso en un cerrado (sin transferencia de materia) sistema termodinámico, la primera ley de la termodinámica relaciona los cambios en la energía interna (u otras función cardinal de energía, dependiendo de las condiciones de la transferencia) del sistema con esos dos modos de transferencia de energía, como trabajo, y como calor. El trabajo adiabático se realiza sin transferencia de materia y sin transferencia de calor. En principio, en termodinámica, para un proceso en un sistema cerrado, la cantidad de calor transferido se define por la cantidad de trabajo adiabático que sería necesario para efectuar el cambio en el sistema que es ocasionado por la transferencia de calor. En la práctica experimental, la transferencia de calor suele estimarse calorimétricamente, mediante el cambio de temperatura de una cantidad conocida de sustancia material calorimétrica.
La energía también puede transferirse hacia o desde un sistema mediante la transferencia de materia. La posibilidad de tal transferencia define el sistema como un sistema abierto, en contraposición a un sistema cerrado. Por definición, dicha transferencia no se produce ni como trabajo ni como calor.
Los cambios en la energía potencial de un cuerpo en su conjunto con respecto a las fuerzas de su entorno, y en la energía cinética del cuerpo en movimiento en su conjunto con respecto a su entorno, se excluyen por definición de la energía cardinal del cuerpo (ejemplos son la energía interna y la entalpía).
Transferencia de energía casi reversible por trabajo en el entorno En el entorno de un sistema termodinámico, externo a él, todas las diversas formas macroscópicas mecánicas y no mecánicas de trabajo pueden convertirse unas en otras sin limitación en principio debido a las leyes de la termodinámica, de modo que la eficiencia de conversión de energía puede aproximarse al 100% en algunos casos; se requiere que dicha conversión sea sin fricción, y en consecuencia adiabática.F.C.Andrews Thermodynamics: Principles and Applications (Wiley-Interscience 1971), , p.17-18. En particular, en principio, todas las formas macroscópicas de trabajo pueden convertirse en el trabajo mecánico de levantar un peso, que fue la forma original de trabajo termodinámico considerada por Carnot y Joule (véase la sección Historia más arriba). Algunos autores han considerado esta equivalencia con el levantamiento de un peso como una característica definitoria del trabajo.<ref>Silbey, R.J., Alberty, R.A., Bawendi, M.G. (2005). Physical Chemistry, 4th edition, Wiley, Hoboken NJ., , p.31K.Denbigh The Principles of Chemical Equilibrium (Cambridge University Press 1ª ed. 1955, reimpresión 1964), p.14 .J.Kestin A Course in Thermodynamics (Blaisdell Publishing 1966), p.121.M.A.Saad Thermodynamics for Engineers (Prentice-Hall 1966) p.45-46 . Por ejemplo, con el aparato del experimento de Joule en el que, a través de poleas, un peso que desciende en el entorno impulsa la agitación de un sistema termodinámico, el descenso del peso puede desviarse mediante una nueva disposición de las poleas, de modo que levante otro peso en el entorno, en lugar de agitar el sistema termodinámico.
Tal conversión puede idealizarse como casi sin fricción, aunque se produce con relativa rapidez. Suele producirse mediante dispositivos que no son sistemas termodinámicos simples (un sistema termodinámico simple es un cuerpo homogéneo de sustancias materiales). Por ejemplo, el descenso del peso en el experimento de agitación de Joule reduce la energía total del peso. Se describe como pérdida de energía potencial gravitatoria por parte de la pesa, debido al cambio de su posición macroscópica en el campo gravitatorio, en contraste con, por ejemplo, la pérdida de energía interna de la pesa debida a cambios en su entropía, volumen y composición química. Aunque ocurre con relativa rapidez, dado que la energía permanece casi totalmente disponible como trabajo de una forma u otra, tal desviación de trabajo en el entorno puede idealizarse como casi reversible, o casi perfectamente eficiente.
Por el contrario, la conversión de calor en trabajo en un motor térmico nunca puede superar la Eficiencia de Carnot, como consecuencia de la segunda ley de la termodinámica. Tal conversión de energía, a través de un trabajo realizado con relativa rapidez, en un motor térmico práctico, por un sistema termodinámico sobre su entorno, no puede idealizarse, ni de lejos, como reversible.
El trabajo termodinámico realizado por un sistema termodinámico sobre su entorno se define de forma que se cumpla este principio. Históricamente, la termodinámica trataba de cómo un sistema termodinámico podía realizar trabajo sobre su entorno. Trabajo realizado por y sobre un sistema termodinámico simple