Termodinámica y fuerza de trabajoSi consideramos la fuerza de trabajo como un gasto de energía, entonces deben cumplirse las leyes de la termodinámica. Según la primera ley de la termodinámica: la variación en la energía interna de un sistema es igual a la energía transferida a los alrededores o por ellos en forma de calor y de trabajo, por lo que la energía no se crea ni se destruye sólo se transforma. En su forma matemática más sencilla se puede escribir para cualquier sistema cerrado:
ΔU = W + Q → W = ΔU – Q
Donde W es el trabajo realizado; ΔU es la variación de energía potencial como fuerza de trabajo del trabajador, la fuerza de trabajo empleada, y Q es al calor intercambiado. En sistemas abiertos, como los sistemas biológicos se requiere una función de estado que incluya tanto energía como entropía. La energía libre de Gibbs, se define como aquella parte de la energía total de un sistema que puede convertirse en trabajo en condiciones isotérmicas:
ΔG = ΔH - T ∙ ΔS
Donde H es el contenido energético o entalpía, la fuerza de trabajo que dispone el trabajador, T es la temperatura absoluta, S es la entropía y G es la energía libre de Gibbs, la cantidad de energía que puede transformase en trabajo. En todos los procesos espontáneos la energía libre del sistema disminuye, es decir, el valor final de G es menor que el inicial y, por tanto, ΔG es negativa. Según la definición de energía libre de Gibbs el trabajo máximo es:
W = - ΔG
De lo que se deduce que la productividad de la fuerza de trabajo (ΔG) es mayor cuanto menor es la energía total del trabajador (ΔH) que se disipa en forma de calor (Q) lo que popularmente se conoce como “más vale maña que fuerza”. Y que la energía usada como fuerza de trabajo (ΔG) en la producción de medios de trabajo es mucho menor que su contenido como potencial fuerza de trabajo (ΔU). Según Marx la productividad de la fuerza de trabajo está determinada por múltiples circunstancias, entre otras por:
- Los medios de trabajo, el estadio de desarrollo en que se hallan la ciencia y sus aplicaciones tecnológicas.
- La división del trabajo, la coordinación social del proceso de producción.
- El nivel medio de destreza del trabajador en la producción y el uso de los medios de producción.
- Los recursos naturales, la misma cantidad y calidad de fuerza de trabajo produce, por ejemplo, más trigo en un buen año que en un mal año. La misma cantidad y calidad de fuerza de trabajo produce más metal en las minas ricas que en las pobres, etc.
En economía política se define el desarrollo de las fuerzas productivas como; la razón entre una cantidad determinada de valores de uso producida y el tiempo socialmente necesario para producirlos, es decir, la razón entre la cantidad realizada de trabajo y el tiempo empleado en realizarlo, que coincide con la definición de la magnitud física de potencia. La unidad de potencia es el watt y se define:
Potencia= trabajo/tiempo= W=J/s=(N∙m)/s=(Kg∙m^2)/s^3
Dese el punto de vista de la termodinámica un trabajo es el mismo lo realice un ser humano u otro, un animal o una máquina, lo que varía entre ellos es la potencia. Un trabajador para mover un montón de arena con una pala y una carretilla le cuesta todo una jornada entera de trabajo, el mismo trabajo lo realiza una máquina excavadora en cinco minutos. Suponiendo que mover la arena es un trabajo igual a 4.500 J, la potencia de un trabajador con una carretilla es:
(4.500 J)/(8⋅3.600 s)=0'15 W
Y de la máquina excavadora:
(4.500 J)/(300 s)=15 W
La máquina excavadora realiza el trabajo de 100 trabajadores. La máquina resulta rentable, desde el punto de vista del trabajo, cuando para su producción y mantenimiento se necesita el trabajo de menos de 100 trabajadores. Una máquina térmica transforma calor en trabajo mecánico, opera entre dos depósitos a diferente temperatura, y el trabajo mecánico se obtiene si el calor se transfiere del depósito con mayor temperatura al depósito de menor temperatura. La segunda ley de la termodinámica, establece que ninguna máquina térmica puede transformar en energía mecánica todo el calor que se transfiere, de donde se deriva el concepto de eficiencia térmica η, el cual se define como la razón del trabajo obtenido y el calor que se le suministra:
η = W/Q
Sadi Carnot demostró que el límite superior de calor que puede transformarse en trabajo depende de la diferencia de temperatura entre el depósito caliente y el depósito frío. La eficiencia para una máquina térmica de Carnot, se calcula mediante la ecuación:
η = (Tc-Tf)/Tc = 1-(Tf/Tc)
Donde Tf y Tc son las temperaturas en grados kelvin de los depósitos a menor y mayor temperatura. Ahora bien, los seres humanos, como el resto de seres vivos, efectúan trabajo al caminar, correr, levantar un objeto, etc., para realizarlo requieren de energía que el organismo obtiene al transformar la energía potencial química de los alimentos. Se define el concepto de eficiencia muscular η, como el cociente del trabajo mecánico realizado y la energía suministrada al cuerpo. Se ha verificado que la eficiencia muscular en el trabajo mecánico está entre el 20 % y el 25 % en condiciones normales. Si se supone al organismo humano como una máquina térmica con una eficiencia del 20 % y que opera a una temperatura ambiente de 20° C, como depósito de menor temperatura, Tf = 293° K. Si de la ecuación de eficiencia térmica para una máquina se despeja Tc que corresponde al depósito de mayor temperatura, obtenemos:
Tc=-Tf/(η-1)
Por lo tanto:
Tc=-293° K/(0'2-1)=-293° K/-0'8=366° K=93° C
Esto implica que el organismo humano no puede ser este depósito, porque se sabe que su temperatura normal es de 37° C. La transformación de energía en el organismo, se realiza oxidando esencialmente glucosa en el proceso de respiración, mediante mecanismos moleculares realizados a temperatura constante a nivel celular. En conclusión, aumentar la productividad de la fuerza de trabajo no se puede realizar mediante el aumento de la diferencia de temperatura con el ambiente. Los seres humanos deben esperar que la naturaleza les proporciones la totalidad de la energía que necesita consumir, a cambio de invertir del 20 % al 25 % de dicha energía en trabajo mecánico. Este es el reino de necesidad en el que la especie humana ha venido al mundo.
Mecánica y plus-valorPor otro lado, los seres humanos pueden utilizar las propiedades de su cerebro que consume el 20 % de la energía total que consume el cuerpo humano y aumentar su fuerza de trabajo, crear un plus-trabajo, mediante la fabricación de máquinas, el uso de energías diferentes a su fuerza de trabajo y mediante la división técnica del trabajo. Los seres humanos para aumentar su fuerza de trabajo y crear con ello un plus-trabajo se han valido, desde siempre, de las siguientes máquinas simples;
La utilización de fuentes de energía diferentes a la fuerza de trabajo es la más eficiente forma de aumentar la productividad de dicha fuerza de trabajo;
Fuentes de energía de origen biológico; la madera se usa como combustible desde hace 1.000.000 años. El carbón se conoce desde el año 1000 a. C. aunque su uso no se generalizó hasta finales del siglo XVIII con la revolución industrial. El uso del petróleo se generalizó en el siglo XIX aunque los romanos ya lo utilizaban para iluminarse y, es probable, que fuera uno de los componentes del fuego griego usado por el Imperio Bizantino a partir del siglo VI.
Animales de tiro; el perro se utilizó como ayuda en la caza desde el año 15.000 a. C., el buey 6.000 años a. C. El caballo 4.000 años a. C., el búfalo y asno 2.000 años a. C., el camello 500 años a. C.
El agua para mover un molino hidráulico desde el siglo I a.C. Debido a la esclavitud no se extendió su uso, pero a partir de los siglos VI-VII casi todos los títulos de feudos hacen referencia a uno, el viento para el molino desde el año 1100, la fusión nuclear desde el año 1945. La energía solar desde el año 1954
La eficiencia térmica η de los distintos tipos de motores es la siguiente; la del motor de gasolina es del 25%, la de la máquina de vapor es del 30%, la del motor de gasoil es del 35%, la del motor eléctrico es del 80%.