Práce (termodynamika)

Zachování energieUpravit

Předpokládaným hlavním principem termodynamiky je zachování energie. Celková energie systému je součtem jeho vnitřní energie, jeho potenciální energie jako celého systému ve vnějším silovém poli, například gravitačním, a jeho kinetické energie jako celého systému v pohybu. Termodynamika se zabývá zejména přenosy energie z hmotného tělesa, jako je například válec s párou, do okolí tělesa, a to mechanismy, kterými těleso působí makroskopickými silami na své okolí tak, že v něm zvedá závaží; o takových mechanismech se říká, že zprostředkovávají termodynamickou práci.

Kromě přenosu energie jako práce připouští termodynamika i přenos energie jako tepla. Pro proces v uzavřeném (bez přenosu hmoty) termodynamickém systému platí, že první termodynamický zákon vztahuje změny vnitřní energie (nebo jiné kardinální energetické funkce v závislosti na podmínkách přenosu) systému k těmto dvěma způsobům přenosu energie, jako práce a jako teplo. Adiabatická práce probíhá bez přenosu hmoty a bez přenosu tepla. V zásadě je v termodynamice pro proces v uzavřeném systému množství přeneseného tepla definováno množstvím adiabatické práce, která by byla potřebná k provedení změny v systému, jež je vyvolána přenosem tepla. V experimentální praxi se přenos tepla často odhaduje kalorimetricky, prostřednictvím změny teploty známého množství kalorimetrické hmotné látky.

Energii lze do systému nebo ze systému přenášet také přenosem hmoty. Možnost takového přenosu definuje systém jako otevřený systém na rozdíl od systému uzavřeného. Z definice takový přenos neprobíhá ani jako práce, ani jako teplo.

Změny potenciální energie tělesa jako celku vzhledem k silám v jeho okolí a kinetické energie tělesa pohybujícího se jako celek vzhledem k jeho okolí jsou z definice vyloučeny z kardinální energie tělesa (příkladem je vnitřní energie a entalpie).

Téměř vratná přeměna energie prací v okolíPravda

V okolí termodynamického systému, které je vůči němu vnější, se mohou všechny různé mechanické i nemechanické makroskopické formy práce přeměňovat jedna na druhou v zásadě bez omezení daných zákony termodynamiky, takže účinnost přeměny energie se může v některých případech blížit 100 %; vyžaduje se, aby taková přeměna byla bez tření, a tudíž adiabatická. V zásadě lze zejména všechny makroskopické formy práce převést na mechanickou práci při zvedání závaží, což byla původní forma termodynamické práce, kterou uvažovali Carnot a Joule (viz oddíl Historie výše). Někteří autoři považují tuto ekvivalenci zvedání závaží za určující charakteristiku práce. Například u aparatury Jouleova experimentu, v němž prostřednictvím kladek klesající závaží v okolí pohání míchání termodynamické soustavy, lze klesání závaží odklonit změnou uspořádání kladek tak, že místo míchání termodynamické soustavy zvedá jiné závaží v okolí.

Takovou přeměnu lze idealizovat jako téměř bez tření, i když k ní dochází poměrně rychle. Obvykle k ní dochází prostřednictvím zařízení, která nejsou jednoduchými termodynamickými soustavami (jednoduchá termodynamická soustava je homogenní těleso hmotných látek). Například klesání závaží v Joulově experimentu s mícháním snižuje celkovou energii závaží. Je popsán jako ztráta gravitační potenciální energie závaží v důsledku změny jeho makroskopické polohy v gravitačním poli, na rozdíl například od ztráty vnitřní energie závaží v důsledku změn jeho entropie, objemu a chemického složení. Ačkoli k tomu dochází relativně rychle, protože energie zůstává tak či onak téměř plně k dispozici jako práce, lze takové odvádění práce do okolí idealizovat jako téměř vratné neboli téměř dokonale účinné.

Proti tomu přeměna tepla na práci v tepelném motoru nemůže v důsledku druhého termodynamického zákona nikdy překročit Carnotovu účinnost. Takovou přeměnu energie prostřednictvím práce vykonané relativně rychle, v praktickém tepelném motoru, termodynamickým systémem na své okolí, nelze idealizovat, a to ani téměř, jako reverzibilní.

Termodynamická práce vykonaná termodynamickým systémem na jeho okolí je definována tak, aby byla v souladu s tímto principem. Historicky se termodynamika zabývala tím, jak může termodynamický systém konat práci na svém okolí.

Práce vykonaná jednoduchým termodynamickým systémem a na němPravda

Práci vykonanou na termodynamickém systému a práci vykonanou termodynamickým systémem je třeba rozlišovat, a to na základě zvážení jejich přesných mechanismů. Práce vykonávaná na termodynamické soustavě zařízeními nebo soustavami v okolí se uskutečňuje činnostmi, jako je stlačování, a zahrnuje práci na hřídeli, míchání a tření. Taková práce vykonaná stlačením je termodynamickou prací, jak je zde definována. Práce na hřídeli, míchání a tření však nejsou termodynamickou prací, jak je zde definována, protože nemění objem soustavy proti jejímu odporovému tlaku. Práce beze změny objemu se nazývá izochorická práce, například když nějaký děj v okolí soustavy vyvolá třecí účinek na povrchu nebo ve vnitřním prostoru soustavy.

Při procesu přenosu energie z termodynamické soustavy nebo do ní je změna vnitřní energie soustavy teoreticky definována množstvím adiabatické práce, která by byla nutná k dosažení konečného stavu z počátečního, přičemž tato adiabatická práce je měřitelná pouze prostřednictvím vnějškově měřitelných mechanických nebo deformačních veličin soustavy, které poskytují úplnou informaci o silách působících během procesu na soustavu okolím. V případě některých Jouleových měření byl proces uspořádán tak, že určité zahřátí, k němuž došlo vně soustavy (v látce lopatek) v důsledku třecího procesu, vedlo také k přenosu tepla z lopatek do soustavy v průběhu procesu, takže množství práce vykonané okolím na soustavu bylo možné vypočítat jako práci na hřídeli, což je vnější mechanická veličina.

Množství energie přenesené jako práce se měří prostřednictvím veličin definovaných vně zájmové soustavy, a tedy náležejících jejímu okolí. Podle důležité znakové konvence, preferované v chemii, se práce, která přidává k vnitřní energii systému, počítá jako kladná. Na druhou stranu, z historických důvodů je často používaná znaková konvence, preferovaná ve fyzice, považovat práci vykonanou systémem na jeho okolí za kladnou.

Procesy nepopsané makroskopickou pracíEdit

Jedním druhem přenosu tepla, prostřednictvím přímého kontaktu mezi uzavřeným systémem a jeho okolím, jsou mikroskopické tepelné pohyby částic a jejich související mezimolekulární potenciální energie. Mikroskopické popisy takových procesů jsou doménou statistické mechaniky, nikoliv makroskopické termodynamiky. Dalším druhem přenosu tepla je sálání. Radiační přenos energie je nevratný v tom smyslu, že probíhá pouze z teplejšího systému do chladnějšího, nikdy ne opačným směrem. Existuje několik forem disipativního přenosu energie, které mohou probíhat uvnitř systému na mikroskopické úrovni, například tření včetně objemové a smykové viskozity chemická reakce, neomezená expanze jako při Jouleově expanzi a při difúzi a fázová změna.

Termodynamická práce nezohledňuje žádnou energii přenášenou mezi systémy jako teplo nebo prostřednictvím přenosu hmoty.

Otevřené systémyPravda

Pro otevřený systém připouští první termodynamický zákon tři formy přenosu energie, jako práci, jako teplo a jako energii spojenou s přenášenou hmotou. Tu nelze jednoznačně rozdělit na složku tepla a složku práce.

Jednosměrná konvekce vnitřní energie je formou přenosu energie, ale není, jak se někdy mylně předpokládá (pozůstatek kalorické teorie tepla), přenosem energie jako tepla, protože jednosměrná konvekce je přenosem hmoty; není ani přenosem energie jako práce. Nicméně pokud je stěna mezi soustavou a jejím okolím silná a obsahuje tekutinu, lze za přítomnosti gravitačního pole považovat konvektivní cirkulaci uvnitř stěny za nepřímé zprostředkování přenosu energie jako tepla mezi soustavou a jejím okolím, i když zdroj a cíl přenášené energie nejsou v přímém kontaktu.

Fiktivně představené reverzibilní termodynamické „procesy „Upravit

Pro účely teoretických výpočtů o termodynamickém systému si lze představit fiktivní idealizované termodynamické „procesy“, které probíhají tak pomalu, že při nich nevzniká tření uvnitř systému ani na jeho povrchu; lze je pak považovat za prakticky reverzibilní. Tyto fiktivní procesy probíhají po drahách na geometrických plochách, které jsou přesně popsány charakteristickou rovnicí termodynamického systému. Tyto geometrické plochy jsou místy možných stavů termodynamické rovnováhy systému. Skutečně možné termodynamické procesy probíhající praktickou rychlostí, i když probíhají pouze prací vyhodnocenou v okolí jako adiabatická, bez přenosu tepla, vždy vyvolávají tření uvnitř systému, a jsou tedy vždy nevratné. Dráhy těchto skutečně možných procesů se vždy odchylují od těchto geometrických charakteristických ploch. I když k nim dochází pouze prací vyhodnocenou v okolí jako adiabatickou, bez přenosu tepla, takové odchylky vždy znamenají produkci entropie.

Jouleův ohřev a třeníEdit

Definice termodynamické práce je ve smyslu změn rozsáhlých deformačních (a chemických konstitučních a některých dalších) stavových veličin systému, jako je objem, molární chemická konstituce nebo elektrická polarizace. Příklady stavových veličin, které nejsou extenzivními deformačními nebo jinými takovými veličinami, jsou teplota T a entropie S, jak je uvedeno například ve výrazu U = U(S, V, {Nj}). Změny takových veličin nejsou ve skutečnosti fyzikálně měřitelné pomocí jediného jednoduchého adiabatického termodynamického procesu; jde o procesy, které neprobíhají ani termodynamickou prací, ani přenosem hmoty, a proto se říká, že probíhají přenosem tepla. Veličina termodynamická práce je definována jako práce vykonaná systémem na jeho okolí. Podle druhého termodynamického zákona je tato práce nevratná. Abychom získali skutečné a přesné fyzikální měření veličiny termodynamické práce, je nutné zohlednit nevratnost tím, že systém uvedeme do počátečního stavu spuštěním cyklu, například Carnotova cyklu, který zahrnuje cílovou práci jako krok. Práce vykonaná systémem na jeho okolí se vypočítá z veličin, které tvoří celý cyklus. Ke skutečnému měření práce vykonané okolím na systému by byl zapotřebí jiný cyklus. To připomíná, že tření povrchu soustavy se jeví třecímu prostředku v okolí jako mechanická, i když ne termodynamická práce vykonaná na soustavě, nikoli jako teplo, ale jeví se soustavě jako teplo předané soustavě, nikoli jako termodynamická práce. Produkce tepla třením je nevratná; historicky to byl jeden z důkazů pro odmítnutí kalorické teorie tepla jako konzervované látky. Nevratný proces známý jako Jouleův ohřev také probíhá změnou nedeformačně extenzivní stavové veličiny.

Podle Lavendova názoru není práce tak primitivní pojem jako teplo, které lze měřit kalorimetricky. Tento názor nepopírá dnes obvyklou termodynamickou definici tepla ve smyslu adiabatické práce.

Známá jako termodynamická operace, iniciačním faktorem termodynamického procesu je v mnoha případech změna propustnosti stěny mezi systémem a okolím. Tření není změnou propustnosti stěny. Kelvinovo vyjádření druhého termodynamického zákona používá pojem „neživý hmotný děj“; tento pojem je někdy považován za záhadný. Ke spuštění procesu tření může dojít pouze v okolí, nikoli v termodynamickém systému ve vlastním stavu vnitřní termodynamické rovnováhy. Takové spuštění lze popsat jako termodynamickou operaci.