procés termodinàmic
La calor (Q) és l'energia que es mou d'un objecte a un altre a causa de la diferència de temperatura. Quant als sistemes i entorns, la calor és l'energia que es mou d'un sistema a un entorn o l'energia que es mou d'un entorn a un altre, a causa de la diferència de temperatura. Si la temperatura del sistema és superior a la temperatura ambient, la calor fluirà del sistema a l'entorn. Si la temperatura ambient és superior a la temperatura del sistema, la calor flueix de l'entorn al sistema.
La calor (Q) és l'energia que es mou a causa de la diferència de temperatura, mentre que el treball (W) està relacionat amb la transferència d'energia a través del treball. Per exemple, si el sistema fa treball sobre l'entorn, l'energia es mou del sistema a l'entorn. Per contra, si l'entorn fa treball sobre el sistema, l'energia es mou de l'entorn al sistema.
Energia interna i primera llei de la termodinàmica
L'energia interna (U) del sistema és la suma de tota l'energia cinètica molecular del sistema, més la quantitat de tota l'energia potencial que sorgeix de la interacció entre les molècules del sistema. Si la calor flueix de l'entorn al sistema (el sistema rep energia), l'energia del sistema augmenta. Per contra, si el sistema fa treball sobre l'entorn (el sistema allibera energia), l'energia del sistema disminueix.
Basant-se en la conservació de l'energia, l'energia interna canvia en el sistema = s'afegeix calor al sistema (el sistema rep energia) menys el treball realitzat pel sistema (el sistema allibera energia).
ΔU = canvis d'energia interna, Q = Calor, W = Treball
L'energia interna és la quantitat microscòpica del sistema, de manera que el seu valor no es pot conèixer. Mentre que els canvis en l'energia interna es poden conèixer a través de l'energia afegida al sistema i l'energia alliberada pel sistema en forma de calor i treball. En canvi, es coneixen quantitats macroscòpiques com la temperatura (T), la pressió (p), el volum (V) i la massa (m) o alguns mols (n).
La calor i el treball només intervenen en el procés de transferència d'energia entre el sistema i l'entorn. La calor i el treball no són una quantitat que indiqui l'estat del sistema.
Regles de signes per a la calor (Q) i el treball (W)
Les regles de signe per a la calor i el treball s'ajusten a l'equació de la Primera Llei de la Termodinàmica. La calor (Q) a l'equació anterior és la calor que s'afegeix al sistema (Q positiva), mentre que el treball (W) a l'equació anterior és el treball realitzat pel sistema (W positiva). Si la calor surt del sistema, aleshores Q és negativa. Si es realitza treball sobre el sistema, aleshores W és negativa.
Exemple 1:
Si s'afegeixen 2000 Joules de calor al sistema, mentre el sistema fa un treball de 1000 Joules, quant canvia l'energia interna del sistema?
Solució
ΔU = Q – W = 2000 – 1000 = 1000 Joules.
El sistema absorbeix 2000 Joules de calor (el sistema rep energia) i també lliura 1000 Joules de treball (el sistema allibera energia). Canvi d'energia del sistema = 1000 Joules.
Exemple 2:
Del sistema surten 2000 Joules de calor. El sistema fa un treball de 1000 Joules. Calcula els canvis d'energia interna del sistema.
Solució
Si el sistema allibera calor, aleshores Q és negatiu.
ΔU = Q – W = -2000 – 1000 = -3000 Joules.
El sistema allibera 2000 Joules de calor. El sistema també realitza un treball de 1000 Joules (energia d'alliberament del sistema). Per tant, l'energia interna del sistema es redueix en 3000 J.
Exemple 3:
S'afegeixen 2000 Joules de calor al sistema i es realitza un treball de 1000 Joules. Calcula els canvis d'energia interna del sistema.
Solució
S'ha fet treball sobre el sistema, per tant W és negatiu.
ΔU = Q – W = 2000 – (-1000) = 3000 Joules.
L'energia interna del sistema augmenta en 3000 Joules.
