Munka (termodinamika)

EnergiamegmaradásSzerkesztés

A termodinamika egyik feltételezett alapelve az energia megmaradása. Egy rendszer teljes energiája a belső energiájának, a külső erőtérben, például a gravitációban lévő egész rendszer potenciális energiájának és a mozgásban lévő egész rendszer kinetikus energiájának összege. A termodinamika különösen foglalkozik az energia átadásával egy anyagtestből, például egy gőzhengerből, a test környezetébe olyan mechanizmusok révén, amelyek révén a test makroszkopikus erőket fejt ki a környezetére, hogy ott egy súlyt felemeljen; az ilyen mechanizmusokról mondják, hogy termodinamikai munkát közvetítenek.

Az energia munkaként történő átadásán kívül a termodinamika ismeri az energia hő formájában történő átadását is. Egy zárt (anyagátadás nélküli) termodinamikai rendszerben végbemenő folyamat esetében a termodinamika első törvénye a rendszer belső energiájában (vagy más kardinális energiafüggvényében, az átadás körülményeitől függően) bekövetkező változásokat az energiaátadás e két módjához, a munkaként és a hőként történő energiaátadáshoz kapcsolja. Az adiabatikus munka anyagátadás és hőátadás nélkül történik. Elvileg a termodinamikában egy zárt rendszerben végbemenő folyamat esetében az átadott hőmennyiséget az az adiabatikus munka mennyisége határozza meg, amely a rendszerben a hőátadás által előidézett változáshoz szükséges. A kísérleti gyakorlatban a hőátadást gyakran kalorimetrikusan, egy ismert mennyiségű kalorimetrikus anyagmennyiség hőmérsékletváltozásán keresztül becsülik meg.

Energiát egy rendszerbe vagy egy rendszerből anyagátadással is át lehet adni. Az ilyen átvitel lehetősége határozza meg a rendszert nyitott rendszerként, szemben a zárt rendszerrel. Az ilyen átvitel definíció szerint sem munka, sem hő formájában nem történik.

A test mint egész potenciális energiájának változása a környezetében lévő erőkkel szemben, valamint a test mint egész mozgási mozgási energiájának változása a környezetével szemben definíció szerint nem tartozik a test kardinális energiájához (példák: belső energia és entalpia).

Közel reverzibilis energiaátadás munkával a környezetbenSzerkesztés

Egy termodinamikai rendszer környezetében, azon kívül, a munka különböző mechanikai és nem mechanikai makroszkopikus formái a termodinamika törvényei miatt elvileg korlátlanul átalakíthatók egymásba, így az energiaátalakítás hatásfoka bizonyos esetekben megközelítheti a 100%-ot; az ilyen átalakításnak súrlódásmentesnek, következésképpen adiabatikusnak kell lennie. Elvileg a munka minden makroszkopikus formája átalakítható a súly felemelésének mechanikai munkájává, amely a termodinamikai munka eredeti, Carnot és Joule által figyelembe vett formája volt (lásd a fenti Történet fejezetet). Egyes szerzők a munka meghatározó jellemzőjének tekintették a súly felemelésének ezt az egyenértékűségét. Például a Joule-kísérlet olyan készülékével, amelyben a csigákon keresztül a környezetbe ereszkedő súly egy termodinamikai rendszer felkavarását hajtja, a csigák átrendezésével a súly ereszkedését meg lehet téríteni úgy, hogy a termodinamikai rendszer felkavarása helyett egy másik súlyt emeljen a környezetbe.

Ez az átalakítás idealizálható közel súrlódásmentesnek, bár viszonylag gyorsan történik. Általában olyan eszközökön keresztül jön létre, amelyek nem egyszerű termodinamikai rendszerek (egyszerű termodinamikai rendszer az anyagi anyagok homogén teste). Például Joule keverési kísérletében a súly leereszkedése csökkenti a súly teljes energiáját. Ezt úgy írjuk le, mint a súly gravitációs potenciális energiájának elvesztését a gravitációs mezőben való makroszkopikus helyzetének megváltozása miatt, ellentétben például a súly belső energiájának elvesztésével, amely a súly entrópiájában, térfogatában és kémiai összetételében bekövetkező változások miatt következik be. Bár ez viszonylag gyorsan történik, mivel az energia így vagy úgy, de szinte teljes mértékben rendelkezésre áll munkaként, a munka ilyen jellegű elterelése a környezetben idealizálható közel reverzibilisnek, vagyis közel tökéletes hatásfokúnak.

Ezzel szemben a hőnek munkává történő átalakítása egy hőmotorban a termodinamika második törvénye következtében soha nem haladhatja meg a Carnot-hatásfokot. Az ilyen, viszonylag gyorsan végzett munka révén történő energiaátalakítás egy gyakorlati hőmotorban, egy termodinamikai rendszer által a környezetére kifejtett munka révén nem idealizálható, még csak közel sem, mint reverzibilis.

A termodinamikai rendszer által a környezetére kifejtett termodinamikai munkát úgy határozzuk meg, hogy az megfeleljen ennek az elvnek. Történelmileg a termodinamika arról szólt, hogy egy termodinamikai rendszer hogyan végezhet munkát a környezetén.

Egy egyszerű termodinamikai rendszer által és rajta végzett munkaSzerkesztés

A termodinamikai rendszeren végzett munkát és a termodinamikai rendszer által végzett munkát meg kell különböztetni, mégpedig a pontos mechanizmusok figyelembevételével. A termodinamikai rendszeren a környezetében lévő eszközök vagy rendszerek által végzett munka olyan műveletekkel történik, mint a kompresszió, és magában foglalja a tengelymunkát, a keverést és a dörzsölést. Az ilyen összenyomással végzett munka az itt meghatározott termodinamikai munka. A tengelymunka, a keverés és a dörzsölés azonban nem az itt meghatározott termodinamikai munka, mivel ezek nem változtatják meg a rendszer térfogatát az ellenállási nyomással szemben. A térfogatváltozás nélküli munkát izochorikus munkának nevezzük, például amikor a rendszer környezetében egy hatalmi tényező súrlódási hatást fejt ki a rendszer felületén vagy belsejében.

Egy termodinamikai rendszerből vagy rendszerbe történő energiaátadás folyamatában a rendszer belső energiájának változását elméletileg az az adiabatikus munka határozza meg, amely a kiindulási állapotból a végső állapot eléréséhez szükséges lett volna, ez az adiabatikus munka csak a rendszer külsőleg mérhető mechanikai vagy deformációs változóin keresztül mérhető, amelyek teljes információt nyújtanak a környezet által a folyamat során a rendszerre gyakorolt erőkről. Joule egyes mérései esetében a folyamatot úgy rendezték el, hogy a súrlódási folyamat által a rendszeren kívül (a lapátok anyagában) bekövetkező bizonyos mértékű felmelegedés a folyamat során a lapátokból a rendszerbe történő hőátadáshoz is vezetett, így a környezet által a rendszerre kifejtett munka mennyisége tengelymunkaként, külső mechanikai változóként számítható.

A munka formájában átadott energia mennyisége a vizsgált rendszerhez kívülről meghatározott, tehát a környezetéhez tartozó mennyiségeken keresztül mérhető. Egy fontos, a kémiában kedvelt jelkonvenció szerint az a munka, amely a rendszer belső energiájához hozzáadódik, pozitívnak számít. Másrészt, történelmi okokból, egy gyakran előforduló, a fizikában preferált jelkonvenció szerint a rendszer által a környezetére kifejtett munkát pozitívnak tekintjük.

A makroszkopikus munkával le nem írt folyamatok Szerkesztés

A zárt rendszer és környezete közötti közvetlen érintkezésen keresztül történő hőátadás egyik fajtája a részecskék mikroszkopikus hőmozgása és a hozzájuk tartozó molekulák közötti potenciális energiák. Az ilyen folyamatok mikroszkopikus leírása a statisztikus mechanika, nem pedig a makroszkopikus termodinamika feladata. A hőátadás másik fajtája a sugárzás. A sugárzásos energiaátadás irreverzibilis abban az értelemben, hogy csak egy melegebb rendszerből egy hidegebb rendszerbe történik, fordítva soha. Az energia disszipatív átadásának számos formája létezik, amelyek egy rendszeren belül, mikroszkopikus szinten történhetnek, mint például a súrlódás, beleértve az ömlesztett és a nyírási viszkozitást, a kémiai reakció, a korlátlan tágulás, mint a Joule-féle tágulás és a diffúzió, valamint a fázisátalakulás.

A termodinamikai munka nem veszi figyelembe a rendszerek között hő formájában vagy anyagátadással átadott energiát.

Nyílt rendszerekSzerkesztés

A nyílt rendszerek esetében a termodinamika első törvénye az energiaátadás három formáját ismeri el: munka, hő és az átadott anyaghoz kapcsolódó energia formájában. Ez utóbbi nem osztható egyértelműen hő- és munkakomponensekre.

A belső energia egyirányú konvekciója egyfajta energiaátvitel, de nem energiaátvitel hő formájában, ahogyan azt néha tévesen feltételezik (a hő kalóriaelmélet maradványa), mivel az egyirányú konvekció anyagátvitel; és nem is energiaátvitel munka formájában. Mindazonáltal, ha a rendszer és környezete közötti fal vastag és folyadékot tartalmaz, gravitációs tér jelenlétében a falon belüli konvektív cirkuláció úgy tekinthető, hogy közvetve közvetíti az energia hő formájában történő átadását a rendszer és környezete között, bár az átadott energia forrása és rendeltetési helye nem érintkezik közvetlenül.

Fiktív módon elképzelt reverzibilis termodinamikai “folyamatok “Edit

Egy termodinamikai rendszerre vonatkozó elméleti számítások céljából elképzelhetünk fiktív, idealizált termodinamikai “folyamatokat”, amelyek olyan lassan mennek végbe, hogy nem okoznak súrlódást a rendszeren belül vagy annak felületén; ekkor gyakorlatilag reverzibilisnek tekinthetők. Ezek a fiktív folyamatok olyan geometriai felületeken haladnak végig, amelyeket pontosan leír a termodinamikai rendszer jellegzetes egyenlete. Ezek a geometriai felületek a rendszer lehetséges termodinamikai egyensúlyi állapotainak helyei. A valóban lehetséges termodinamikai folyamatok, amelyek gyakorlati sebességgel játszódnak le, még akkor is, ha csak a környezetben adiabatikusnak értékelt munkával, hőátadás nélkül játszódnak le, mindig súrlódással járnak a rendszeren belül, és így mindig irreverzibilisek. Az ilyen valóban lehetséges folyamatok útjai mindig eltérnek ezektől a geometriai jellemző felületektől. Még akkor is, ha csak a környezetben adiabatikusnak, hőátadás nélkül értékelt munkával történnek, az ilyen eltérések mindig entrópia-termeléssel járnak.”

Joule-fűtés és dörzsölésSzerkesztés

A termodinamikai munka meghatározása a rendszer kiterjedt deformációs (és kémiai konstitutív és bizonyos más) állapotváltozóinak, például a térfogatnak, a moláris kémiai konstitúciónak vagy az elektromos polarizációnak a változását jelenti. Olyan állapotváltozókra, amelyek nem extenzív deformációs vagy más ilyen változók, példa a T hőmérséklet és az S entrópia, mint például az U = U(S, V, {Nj}) kifejezésben. Az ilyen változók változásai valójában fizikailag nem mérhetők egyetlen egyszerű adiabatikus termodinamikai folyamat segítségével; ezek olyan folyamatok, amelyek sem termodinamikai munkával, sem anyagátadással nem történnek, ezért azt mondjuk, hogy hőátadással történnek. A termodinamikai munka mennyiségét úgy határozzuk meg, mint a rendszer által a környezetére kifejtett munkát. A termodinamika második törvénye szerint az ilyen munka irreverzibilis. A termodinamikai munka mennyiségének tényleges és pontos fizikai méréséhez figyelembe kell venni az irreverzibilitást úgy, hogy a rendszert egy olyan ciklus, például egy Carnot-ciklus lefuttatásával állítjuk vissza a kiindulási állapotba, amely a célmunkát lépésként tartalmazza. A rendszer által a környezetére kifejtett munkát a teljes ciklust alkotó mennyiségekből számoljuk ki. A környezet által a rendszerre kifejtett munka tényleges méréséhez egy másik ciklusra lenne szükség. Ez arra emlékeztet, hogy egy rendszer felületének dörzsölése a dörzsölő számára a környezetben a rendszeren végzett mechanikai, bár nem termodinamikai munkaként jelenik meg, nem pedig hőként, de a rendszer számára a rendszerre átadott hőként jelenik meg, nem pedig termodinamikai munkaként. A dörzsöléssel történő hőtermelés irreverzibilis; történelmileg ez volt az egyik bizonyíték a hő mint konzervált anyag kalorikus elméletének elutasítására. A Joule-féle fűtésnek nevezett irreverzibilis folyamat szintén egy nem deformációs extenzív állapotváltozó változásán keresztül megy végbe.”

A munka Lavenda véleménye szerint nem olyan primitív fogalom, mint a hő, amely kalorimetriával mérhető. Ez a vélemény nem cáfolja a hő ma szokásos termodinamikai definícióját az adiabatikus munka fogalmával.

A termodinamikai műveletnek nevezett termodinamikai folyamat indító tényezője sok esetben a rendszer és a környezet közötti fal áteresztőképességének változása. A dörzsölés nem a fal áteresztőképességének megváltozása. Kelvin a termodinamika második törvényének megfogalmazásában az “élettelen anyagi szereplő” fogalmát használja; ezt a fogalmat néha rejtélyesnek tartják. A dörzsölődési folyamat kiváltása csak a környezetben történhet, nem pedig a saját belső termodinamikai egyensúlyi állapotában lévő termodinamikai rendszerben. Az ilyen kiváltás termodinamikai műveletként írható le.