Arbeid i termodynamikk

Frå Wikipedia – det frie oppslagsverket
Gå til: navigering, søk

Arbeid utført av eit system i termodynamikk er energien som vert overført frå systemet til eit anna ved hjelp av endringar i dei ytre generaliserte mekaniske restriksjonane til systemet. Slik sett er eit termodynamisk arbeid ei generalisering av konseptet mekanisk arbeid i mekanikk.

Dei ytre generaliserte mekaniske restriksjonane kan vere kjemiske[1], elektromagnetiske[1][2][3] (inkludert stråling[4], som i laser-kraft), gravitasjon[5], eller trykk/volum eller andre enkle mekaniske restriksjonar[6], som moment[4], som i strålingsoverføring. Termodynamisk arbeid er definert til å kunne målast utelukkande ut frå kjennskapen til slike ytre makroskopiske restriksjonsvariablar. Desse makroskopiske variablane opptrer alltid i kopla par, som til dømes trykk og volum[6], magnetisk flukstettleik og magnetisering[2], molbrøk og kjemisk potensial[1]. i SI-system vert arbeid målt i joule (symbol: J). Endringa som arbeidet vert utført i er effekt.

Oversyn[endre | endre wikiteksten]

Den første termodynamikklova knyt endringar i den indre energien til eit termodynamisk system til to former for energioverføring.

Omgrepet termodynamisk arbeid er meir generelt enn det enkle mekaniske arbeidet, fordi det omfattar andre typar energioverføring i tillegg. Ein særs viktig faktor for å forstå termodynamisk arbeid er heilt og haldent definert av dei ytre generaliserte mekaniske variblane. Den andre forma for energioverføring er varme. Varme vert målt ved endringar i temperaturen til ei kjend kalorimetrisk stoffmengd. Det ligg i essensen til varme at han ikkje er definert av dei ytre generaliserte mekaniske variablane som definerer arbeid. Denne skilnaden mellom arbeid og varme er særs viktig i termodynamikk.

Arbeid syner til former for energioverføring som ikkje endringar i dei ytre makroskopiske fysiske restriksjonane til systemet kan stå for, til dømes energi som går til å utvide volumet til eit system mot eit ytre trykk, ved å drive eit stempel ut av ein sylinder mot ei ytre kraft.

Dette står i kontrast til varme, som er energi transport eller omforma ved mikroskopiske termale partikkelrørsler[7], eller ved varmestråling[8][9]. Dette finst berre to makroskopiske varmeoverføringa mellom system: varmeleiing[10] og varmestråling. Det finst fleire former for å omforme energi som kan dukke opp internt i eit system som produserer eller forbruker varme på mikroskopisk nivå: friksjon inkludert viskositet[11], kjemisk reaksjon[1], utviding utan restriksjonar som i jouleutviding og diffusjon, faseovergangar[1]; desse overfører ikkje varme mellom system. Konveksjon av energi er ei form for energitransport, men ikkje, som ein ofte feilaktig trur, ei form for varmeoverføring, fordi kovensjonen i seg sjølv ikkje er ei mikroskopisk rørsler av partiklar eller foton, men ei samla rørsler av vegeleg stoff med ein indre energi. Den nulte lova i termodynamikken tillett berre ei form for temperatur ved likevekt, og det er derfor mogeleg å definere ein makroskopisk variabel til temperatur, nemleg entropi.

Formel[endre | endre wikiteksten]

I følgje den første lova i termodynamikken, vil ein netto auke i den indre energien, U, til eit termodynamisk system vert gjort reie for i form av varme, δQ, som vert tilført systemet og arbeidet δW utført av systemet:[7]

dU = \delta Q - \delta W.\; [12]

Bokstaven d indikerer totalt differensial, og uttrykker at den indre energien U er ein eigenskap ved tilstanden til systemet. Dei er berre avhengig av den originale tilstanden og den endelege tilstanden, og ikkje korleis ein kjem fram dit. I motsetnad viser den greske delta (δ) i likninga til at varmeovrføring og arbeidsoverføring ikkje er eigenskapar i den endelege tilstanden til systemet. Om ein berre har starttilstanden og sluttilstanden til systemet, kan ein berre sei kvar den endelege endringa i den indre energien er, ikkje kor mykje energi som gjekk med til varme og kor mykje som gjekk med til arbeid. Dette kan oppsummerast med å sei at varme og arbeid ikkje er tilstandsfunksjonar i systemet.[7]

Trykk-volum-arbeid[endre | endre wikiteksten]

Trykk-volum-arbeid, (eller pV-arbeid) skjer når volumet (V) til eit system vert endra. pV-arbeid vert ofte målt i einingar liter-atmosfærar, der 1L•atm = 101,325J. Liter.atmosfære er ikkje ei SI-eining. pV-arbeid er eit viktig tema innan kjemisk termodynamikk.

pV-arbeid vert representert av den følgjande differensiallikninga:[7]

dW =  p dV \,

der:

  • W = arbeid utført på systemet
  • p = trykk
  • V = volum
W=\int_{V_i}^{V_f} p\,dV.

Likninga for arbeid over gjeld for alle reversible prosessar i eit lukka system.

Den første lova i termodynamikken kan derfor skrivast

dU = dQ - p dV \,

Sjå òg[endre | endre wikiteksten]

Kjelder[endre | endre wikiteksten]

  1. 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 Guggenheim, E.A. (1985). Thermodynamics. An Advanced Treatment for Chemists and Physicists, seventh edition, North Holland, Amsterdam, ISBN 0444869514.
  2. 2,0 2,1 Jackson, J.D. (1975). Classical Electrodynamics, second edition, John Wiley and Sons, New York, ISBN 047143232X.
  3. Konopinski, E.J. (1981). Electromagnetic Fields and Relativistic Particles, McGraw-Hill, New York, ISBN 007035264X.
  4. 4,0 4,1 Essex, C., Kennedy, D.C., Bludman, S.A. (2005). "The nonequilibrium thermodynamics of radiation interaction", Chapter 12, s. 603-626 i Variational and Extremum Principles in Macroscopic Systems, ed. S. Sieniutycz, H. Farkas, Elsevier, Amsterdam, ISBN 0080444881.
  5. North, G.R., Erukhimova, T.L. (2009). Atmospheric Thermodynamics. Elementary Physics and Chemistry, Cambridge University Press, Cambridge (UK), ISBN 9780521899635.
  6. 6,0 6,1 Kittel, C. Kroemer, H. (1980). Thermal Physics, second edition, W.H. Freeman, San Francisco, ISBN 0716710889.[1]
  7. 7,0 7,1 7,2 7,3 G.J. Van Wylen and R.E. Sonntag, Fundamentals of Classical Thermodynamics, Chapter 4 - Work and heat, (3rd edition)
  8. Prevost, P. (1791). Mémoire sur l'equilibre du feu. Journal de Physique (Paris), vol 38 s. 314-322.
  9. Planck, M. (1914). The Theory of Heat Radiation, second edition translated by M. Masius, P. Blakiston's Son and Co., Philadephia, 1914.
  10. Kondepudi, D. (2008). Introduction to Modern Thermodynamics, John Wiley and Sons, Chichester, ISBN 9780470015988.
  11. Rayleigh, J.W.S (1878/1896/1945). The Theory of Sound, volume 2, Dover, New York, [2]
  12. Freedman,Roger A. and Young,Hugh D. (2008). 12th Edition. Chapter 19: First Law of Thermodynamics, page 656. Pearson Addison-Wesley, San Francisco.