¿Por qué el calentamiento eléctrico se considera una interacción de trabajo?

Si incluye el elemento calefactor como parte de su sistema, entonces la configuración eléctrica que suministra la energía eléctrica a su sistema está trabajando en su sistema. Si incluye el elemento calefactor como parte del entorno, esta parte del entorno transfiere calor a su sistema. Así que todo depende de si incluyes el elemento calefactor como parte del sistema o como parte del entorno. En el ejemplo de su libro, el elemento calefactor se trata como parte del sistema.

Creo que ha encontrado que la pregunta ¿ qué califica exactamente como trabajo en termodinámica? no se puede responder fácilmente en una oración. Un camino a seguir es quizás comenzar considerando los términos de la primera ley de la termodinámica para un sistema que no cambia en composición y considerar el trabajo como un proceso relacionado con la transferencia de energía.

Hay un término de energía interna y luego hay un término de transferencia de calor que es la energía transferida entre un sistema y su entorno debido a una diferencia de temperatura que, lo que es más importante, es un proceso unidireccional en el que la transferencia es siempre de la temperatura más alta a la más baja. temperatura.
En su diagrama, ese sería el agua (alrededor) que tiene calor transferido desde el tanque (sistema) al agua.

Ahora mira las otras formas de transferir energía dentro y fuera del sistema y llama a eso trabajo y aquí es donde se vuelve complicado, pero no para todos los ejemplos.
Quizás el más simple es el cambio de volumen de un sistema por la aplicación de fuerzas externas cuando se realiza un trabajo mecánico.
Lo que no es tan obvio es cómo clasificar el efecto del calentador eléctrico y, para hacerlo, debe decidir si el calentador es parte del sistema o del entorno.
Si el calentador eléctrico es parte del entorno, entonces la transferencia entre el calentador y el sistema se realiza a través del calor, pero hacerlo dificulta los cálculos.
Si el calentador es parte del sistema, la transferencia al sistema se caracterizaría como trabajo según la definición de peso que cae, con el peso que cae haciendo funcionar un generador que produce "electricidad" que a su vez aumenta la energía interna del sistema.

Sé que no le he dicho cuál de las definiciones de trabajo de "una oración" estoy a favor, pero le sugiero que considere otros ejemplos, por ejemplo, la temperatura del agua en una cascada, la radiación infrarroja interactuando con un sistema, etc. y vea si puede excluir la transferencia de calor y luego cómo podría considerarse como trabajo a través de la definición de peso descendente o la definición de distribución de energía que ha mencionado en su publicación o. . . . .

Como explican Farcher y Chet Miller, si el calentador es parte del sistema, entonces hacemos trabajo (eléctrico) en el calentador y, por lo tanto, suministramos trabajo al sistema. Estamos suministrando esta energía incluso si el sistema está perfectamente aislado térmicamente y no puede recibir calor.

En este caso, sin embargo, la distinción calor/trabajo es bastante legalista. Esto se debe a que el trabajo que proporcionamos es totalmente irreversible , a diferencia del trabajo totalmente reversible que realizaríamos en el sistema empujando lentamente un pistón sin fricción. Es trabajo reversible que "implica un cambio uniforme en las energías de todas las partículas de un sistema por la misma cantidad sin cambiar la forma de la distribución de energía de las partículas en el sistema". Pero con un trabajo totalmente irreversible, también podría estar suministrando calor: altera la distribución de energía entre los diferentes niveles de energía del sistema, en lugar de alterar los niveles de energía en sí mismos. Y el calentador también podría estar fuera del sistema suministrando calor al sistema.$^*$¡como si dentro del sistema se le suministrara trabajo (eléctrico) desde el exterior!

$^*$que, para una estricta comparabilidad, ahora debería incluir un calentador eléctrico desconectado

Entonces, ¿por qué el calentamiento de un sistema mediante el uso de un elemento calefactor eléctrico se considera una interacción de trabajo y no una transferencia de calor?

Debe distinguir entre la transferencia de energía entre la corriente eléctrica y un material que eleva la temperatura del material (transferencia de trabajo) y la transferencia de energía entre el material cuya temperatura es elevada por la corriente a su entorno de temperatura más baja (transferencia de calor).

El calor se define como la transferencia de energía debido únicamente a la diferencia de temperatura. El aumento de la temperatura de un material por la corriente eléctrica no se debe a una diferencia de temperatura entre la corriente y la temperatura del material. A nivel microscópico es la transferencia de la energía cinética organizada (EC) asociada con el flujo de electrones (corriente de deriva) a las moléculas del material por colisiones.

Los electrones pierden alternativamente energía cinética en las colisiones y recuperan KE del trabajo realizado por el campo eléctrico. Entonces, en efecto, el trabajo realizado por el campo eléctrico para mantener la corriente de deriva transfiere energía a las moléculas del material. Esas colisiones, a su vez, aumentan la KE aleatoria promedio de las moléculas individuales, lo que da como resultado un aumento en la temperatura del material. El aumento de la temperatura del material por encima de la temperatura de su entorno da como resultado la transferencia de energía al medio ambiente en forma de calor. Así, el término calentamiento Joule se refiere a las consecuencias del trabajo eléctrico. De manera similar, el calentamiento por fricción se refiere a las consecuencias de la transferencia de energía por trabajo de fricción, que ocurre cuando uno se frota las manos y eleva la temperatura de la piel.

Por el contrario, la transferencia de energía por conducción de calor desde un material de temperatura más alta (EC molecular aleatoria promedio más alta) a un material de temperatura más baja (EC molecular aleatoria promedio más baja) se debe a colisiones entre el movimiento aleatorio (desorganizado) de las moléculas del material de temperatura más alta y el movimiento aleatorio de las moléculas del material de temperatura más baja.

Espero que esto ayude.