Lucrul (termodinamică)

Conservarea energieiEdit

Un principiu călăuzitor presupus al termodinamicii este conservarea energiei. Energia totală a unui sistem este suma energiei sale interne, a energiei sale potențiale ca sistem întreg într-un câmp de forțe externe, cum ar fi gravitația, și a energiei sale cinetice ca sistem întreg în mișcare. Termodinamica are o preocupare specială pentru transferurile de energie, de la un corp de materie, cum ar fi, de exemplu, un cilindru de abur, către mediul înconjurător al corpului, prin mecanismele prin care corpul exercită forțe macroscopice asupra mediului înconjurător, astfel încât să ridice o greutate acolo; astfel de mecanisme sunt cele despre care se spune că mediază lucrul termodinamic.

Pe lângă transferul de energie sub formă de lucru, termodinamica admite transferul de energie sub formă de căldură. Pentru un proces într-un sistem termodinamic închis (fără transfer de materie), prima lege a termodinamicii pune în relație modificările energiei interne (sau a altei funcții energetice cardinale, în funcție de condițiile de transfer) a sistemului cu aceste două moduri de transfer de energie, ca lucru și ca căldură. Lucrul adiabatic se realizează fără transfer de materie și fără transfer de căldură. În principiu, în termodinamică, pentru un proces într-un sistem închis, cantitatea de căldură transferată este definită prin cantitatea de lucru adiabatic care ar fi necesară pentru a efectua schimbarea în sistem care este ocazionată de transferul de căldură. În practica experimentală, transferul de căldură este adesea estimat calorimetric, prin modificarea temperaturii unei cantități cunoscute de substanță materială calorimetrică.

Energia poate fi, de asemenea, transferată către sau de la un sistem prin transfer de materie. Posibilitatea unui astfel de transfer definește sistemul ca fiind un sistem deschis, spre deosebire de un sistem închis. Prin definiție, un astfel de transfer nu se face nici sub formă de lucru, nici sub formă de căldură.

Schimbările de energie potențială a unui corp ca întreg în raport cu forțele din mediul său înconjurător și de energie cinetică a corpului în mișcare ca întreg în raport cu mediul său înconjurător sunt, prin definiție, excluse din energia cardinală a corpului (exemple sunt energia internă și entalpia).

Transferul aproape reversibil de energie prin lucru în mediul înconjurătorEdit

În mediul înconjurător al unui sistem termodinamic, exterior acestuia, toate diferitele forme macroscopice mecanice și nemecanice de lucru pot fi convertite unele în altele fără nici o limitare de principiu datorată legilor termodinamicii, astfel încât eficiența conversiei de energie se poate apropia de 100% în unele cazuri; se cere ca o astfel de conversie să fie fără frecare și, în consecință, adiabatică. În special, în principiu, toate formele macroscopice de lucru pot fi convertite în lucrul mecanic de ridicare a unei greutăți, care a fost forma inițială de lucru termodinamic luată în considerare de Carnot și Joule (a se vedea secțiunea Istoric de mai sus). Unii autori au considerat această echivalență cu ridicarea unei greutăți ca fiind o caracteristică definitorie a lucrului. De exemplu, cu aparatul experimentului lui Joule în care, prin intermediul unor scripeți, o greutate care coboară în mediul înconjurător antrenează agitarea unui sistem termodinamic, coborârea greutății poate fi deviată printr-o rearanjare a scripeților, astfel încât aceasta să ridice o altă greutate în mediul înconjurător, în loc să agite sistemul termodinamic.

O astfel de conversie poate fi idealizată ca fiind aproape fără frecare, deși are loc relativ rapid. Ea se produce de obicei prin intermediul unor dispozitive care nu sunt sisteme termodinamice simple (un sistem termodinamic simplu este un corp omogen de substanțe materiale). De exemplu, coborârea greutății în experimentul de agitare al lui Joule reduce energia totală a greutății. Aceasta este descrisă ca o pierdere de energie potențială gravitațională de către greutate, datorată modificării poziției sale macroscopice în câmpul gravitațional, spre deosebire, de exemplu, de pierderea energiei interne a greutății datorată modificărilor entropiei, volumului și compoziției chimice a acesteia. Deși se produce relativ rapid, deoarece energia rămâne aproape complet disponibilă ca muncă într-un fel sau altul, o astfel de deviere a muncii în mediul înconjurător poate fi idealizată ca fiind aproape reversibilă sau aproape perfect eficientă.

În schimb, conversia căldurii în muncă într-un motor termic nu poate depăși niciodată eficiența Carnot, ca o consecință a celei de-a doua legi a termodinamicii. O astfel de conversie a energiei, prin muncă efectuată relativ rapid, într-un motor termic practic, de către un sistem termodinamic asupra mediului său, nu poate fi idealizată, nici măcar aproape, ca fiind reversibilă.

Lucrul termodinamic efectuat de un sistem termodinamic asupra mediului său înconjurător este definit astfel încât să respecte acest principiu. Din punct de vedere istoric, termodinamica se referea la modul în care un sistem termodinamic poate efectua lucru asupra mediului înconjurător.

Lucrul efectuat de și asupra unui sistem termodinamic simpluEdit

Lucrul efectuat asupra unui sistem termodinamic și lucrul efectuat de un sistem termodinamic trebuie să fie distinse, prin luarea în considerare a mecanismelor lor precise. Lucrul efectuat asupra unui sistem termodinamic, de către dispozitive sau sisteme din mediul înconjurător, se realizează prin acțiuni cum ar fi compresia și include lucrul la arbore, agitarea și frecarea. Această muncă efectuată prin compresie este muncă termodinamică, așa cum este definită aici. Dar lucrul la arbore, agitarea și frecarea nu reprezintă lucru termodinamic, așa cum este definit aici, deoarece nu modifică volumul sistemului în raport cu presiunea de rezistență a acestuia. Lucrul fără schimbare de volum este cunoscut sub numele de lucru izocoric, de exemplu atunci când o agenție, în mediul înconjurător al sistemului, determină o acțiune de frecare pe suprafața sau în interiorul sistemului.

În cadrul unui proces de transfer de energie de la sau către un sistem termodinamic, variația energiei interne a sistemului este definită în teorie prin cantitatea de lucru adiabatic care ar fi fost necesară pentru a ajunge la starea finală din starea inițială, un astfel de lucru adiabatic putând fi măsurat doar prin intermediul variabilelor mecanice sau de deformare ale sistemului măsurabile din exterior, care oferă informații complete despre forțele exercitate de mediul înconjurător asupra sistemului în timpul procesului. În cazul unora dintre măsurătorile lui Joule, procesul a fost astfel aranjat încât o parte din încălzirea care a avut loc în afara sistemului (în substanța paletelor) prin procesul de frecare a dus, de asemenea, la un transfer de căldură din palete în sistem în timpul procesului, astfel încât cantitatea de lucru efectuată de împrejurimi asupra sistemului a putut fi calculată ca lucru în arbore, o variabilă mecanică externă.

Cantitatea de energie transferată ca lucru este măsurată prin intermediul unor mărimi definite în exteriorul sistemului de interes și, prin urmare, aparținând împrejurimilor sale. Printr-o convenție de semne importantă, preferată în chimie, munca care se adaugă la energia internă a sistemului este socotită ca fiind pozitivă. Pe de altă parte, din motive istorice, o convenție de semne des întâlnită, preferată în fizică, este aceea de a considera munca efectuată de sistem asupra mediului înconjurător ca fiind pozitivă.

Procese care nu sunt descrise prin muncă macroscopicăEdit

Un tip de transfer de căldură, prin contactul direct dintre un sistem închis și mediul său înconjurător, se realizează prin mișcările termice microscopice ale particulelor și energiile potențiale intermoleculare asociate acestora. Relatarea microscopică a unor astfel de procese este de competența mecanicii statistice, nu a termodinamicii macroscopice. Un alt tip de transfer de căldură este cel prin radiație. Transferul radiativ de energie este ireversibil, în sensul că are loc numai de la un sistem mai cald la unul mai rece, niciodată invers. Există mai multe forme de transducție disipativă a energiei care pot avea loc în interiorul unui sistem la nivel microscopic, cum ar fi frecarea, inclusiv vâscozitatea aparentă și vâscozitatea de forfecare, reacția chimică, expansiunea neconstrânsă ca în cazul expansiunii Joule și în cazul difuziei, precum și schimbarea de fază.

Lucrul termodinamic nu ia în considerare nicio energie transferată între sisteme sub formă de căldură sau prin transfer de materie.

Sisteme deschiseEdit

Pentru un sistem deschis, prima lege a termodinamicii admite trei forme de transfer de energie, sub formă de lucru, sub formă de căldură și sub formă de energie asociată cu materia care este transferată. Aceasta din urmă nu poate fi împărțită în mod unic în componente de căldură și de lucru.

Convecția unidirecțională a energiei interne este o formă un transport de energie, dar nu este, așa cum se presupune uneori în mod eronat (o relicvă a teoriei calorice a căldurii), un transfer de energie sub formă de căldură, deoarece convecția unidirecțională este un transfer de materie; nu este nici un transfer de energie sub formă de lucru. Cu toate acestea, dacă peretele dintre sistem și mediul înconjurător este gros și conține un fluid, în prezența unui câmp gravitațional, se poate considera că circulația convectivă în interiorul peretelui mediază indirect transferul de energie sub formă de căldură între sistem și mediul înconjurător, deși sursa și destinația energiei transferate nu sunt în contact direct.

„Procese” termodinamice reversibile imaginate fictiv Edit

În scopul calculelor teoretice despre un sistem termodinamic, se pot imagina „procese” termodinamice idealizate fictive care se produc atât de lent încât nu implică frecare în interiorul sau pe suprafața sistemului; ele pot fi considerate atunci ca fiind practic reversibile. Aceste procese fictive se desfășoară de-a lungul unor trasee pe suprafețe geometrice care sunt descrise exact de o ecuație caracteristică a sistemului termodinamic. Aceste suprafețe geometrice sunt locurile posibilelor stări de echilibru termodinamic ale sistemului. Procesele termodinamice cu adevărat posibile, care au loc la viteze practice, chiar și atunci când au loc numai prin muncă evaluată în mediul înconjurător ca fiind adiabatică, fără transfer de căldură, implică întotdeauna frecare în cadrul sistemului și, prin urmare, sunt întotdeauna ireversibile. Căile unor astfel de procese cu adevărat posibile se îndepărtează întotdeauna de aceste suprafețe geometrice caracteristice. Chiar și atunci când au loc numai prin muncă evaluată în mediul înconjurător ca fiind adiabatică, fără transfer de căldură, astfel de abateri implică întotdeauna producerea de entropie.

Încălzirea Joule și frecareaEdit

Definirea lucrului termodinamic se face în termeni de modificări ale variabilelor de stare de deformare extinsă a sistemului (și de constituție chimică și anumite alte variabile), cum ar fi volumul, constituția chimică molară sau polarizarea electrică. Exemple de variabile de stare care nu sunt variabile de deformare extensivă sau alte asemenea variabile sunt temperatura T și entropia S, ca de exemplu în expresia U = U(S, V, {Nj}). Modificările unor astfel de variabile nu sunt de fapt măsurabile fizic prin utilizarea unui singur proces termodinamic adiabatic simplu; acestea sunt procese care nu au loc nici prin lucru termodinamic, nici prin transfer de materie și, prin urmare, se spune că au loc prin transfer de căldură. Cantitatea de lucru termodinamic este definită ca fiind lucrul efectuat de sistem asupra mediului înconjurător. În conformitate cu a doua lege a termodinamicii, această muncă este ireversibilă. Pentru a obține o măsurare fizică reală și precisă a unei cantități de lucru termodinamic, este necesar să se țină seama de ireversibilitate prin readucerea sistemului la starea sa inițială prin parcurgerea unui ciclu, de exemplu un ciclu Carnot, care include lucrul țintă ca etapă. Lucrul efectuat de sistem asupra mediului înconjurător se calculează din cantitățile care constituie întregul ciclu. Ar fi necesar un alt ciclu pentru a măsura efectiv lucrul efectuat de mediul înconjurător asupra sistemului. Acest lucru amintește că frecarea suprafeței unui sistem apare pentru agentul de frecare din mediul înconjurător ca o muncă mecanică, deși nu termodinamică, efectuată asupra sistemului, nu ca căldură, dar apare pentru sistem ca căldură transferată către sistem, nu ca muncă termodinamică. Producerea de căldură prin frecare este ireversibilă; din punct de vedere istoric, aceasta a fost o dovadă pentru respingerea teoriei calorice a căldurii ca substanță conservată. Procesul ireversibil cunoscut sub numele de încălzire Joule are loc, de asemenea, printr-o schimbare a unei variabile de stare neextinse prin deformare.

În consecință, în opinia lui Lavenda, lucrul nu este un concept atât de primitiv precum este căldura, care poate fi măsurată prin calorimetrie. Această opinie nu infirmă definiția termodinamică acum uzuală a căldurii în termeni de lucru adiabatic.

Cunoscută sub numele de operație termodinamică, factorul de inițiere a unui proces termodinamic este, în multe cazuri, o modificare a permeabilității unui perete dintre sistem și mediul înconjurător. Frecarea nu reprezintă o modificare a permeabilității peretelui. Enunțul lui Kelvin al celei de-a doua legi a termodinamicii utilizează noțiunea de „agenție materială inanimată”; această noțiune este uneori considerată nedumerită. Declanșarea unui proces de frecare poate avea loc numai în mediul înconjurător, nu într-un sistem termodinamic aflat în propria sa stare de echilibru termodinamic intern. O astfel de declanșare poate fi descrisă ca o operație termodinamică.

.