Termodünaamiline protsess
Soojus (Q) on energia, mis liigub temperatuuride erinevuse tõttu ühelt objektilt teisele. Süsteemide ja keskkondade puhul on soojus energia, mis liigub süsteemist keskkonda või keskkonnast süsteemi temperatuuride erinevuse tõttu. Kui süsteemi temperatuur on ümbritseva õhu temperatuurist kõrgem, voolab soojus süsteemist keskkonda. Kui ümbritseva õhu temperatuur on süsteemi temperatuurist kõrgem, siis voolab soojus keskkonnast süsteemi.
Soojus (Q) on energia, mis liigub temperatuuride erinevuse tõttu, samas kui töö (W) on seotud energia ülekandega töö kaudu. Näiteks kui süsteem teeb keskkonnas tööd, siis liigub energia süsteemist keskkonda. Vastupidi, kui keskkond teeb süsteemis tööd, siis liigub energia keskkonnast süsteemi.
Siseenergia ja termodünaamika esimene seadus
Süsteemi siseenergia (U) on kogu süsteemi molekulaarse kineetilise energia summa, millele lisandub kogu süsteemi molekulide omavahelisest vastastikmõjust tulenev potentsiaalne energia. Kui soojus voolab keskkonnast süsteemi (süsteem saab energiat), siis süsteemi energia suureneb. Vastupidiselt, kui süsteem teeb keskkonnaga tööd (süsteem vabastab energiat), siis süsteemi energia väheneb.
Energia jäävuse seaduse põhjal muutub süsteemi siseenergia = süsteemi lisandub soojust (süsteem saab energiat) miinus süsteemi tehtud töö (süsteem vabastab energiat).
ΔU = siseenergia muutus, Q = soojus, W = töö
Siseenergia on süsteemi mikroskoopiline suurus, mille väärtust ei saa teada. Siseenergia muutusi saab aga teada süsteemi lisatud energia ja süsteemi poolt soojuse ja töö kujul vabaneva energia kaudu. Seevastu makroskoopilised suurused, nagu temperatuur (T), rõhk (p), ruumala (V) ja mass (m) või mõned moolid (n), on teada.
Soojus ja töö osalevad ainult energiaülekande protsessis süsteemi ja keskkonna vahel. Soojus ja töö ei ole suurused, mis näitaksid süsteemi olekut.
Soojuse (Q) ja töö (W) märkide reeglid
Soojuse ja töö märgireeglid on kohandatud termodünaamika esimese seaduse võrrandiga. Soojus (Q) ülaltoodud võrrandis on süsteemile lisatud soojus (Q positiivne), samas kui töö (W) on süsteemi tehtud töö (W positiivne). Kui soojus lahkub süsteemist, siis Q on negatiivne. Kui süsteemis tehakse tööd, siis W on negatiivne.
Näide 1:
Kui süsteemi lisatakse soojust 2000 džauli, samal ajal kui süsteem teeb tööd 1000 džauli, siis kui palju muutub süsteemi siseenergia?
Lahendus
ΔU = Q – W = 2000 – 1000 = 1000 džauli.
Süsteem neelab 2000 džauli soojust (süsteem võtab vastu energiat) ja annab samal ajal üle 1000 džauli tööd (süsteemi vabanemisenergia). Süsteemi energiamuutus = 1000 džauli.
Näide 2:
Süsteemist väljub 2000 džauli soojust. Süsteem teeb 1000 džauli tööd. Arvuta süsteemi siseenergia muutus.
Lahendus
Kui süsteem eraldab soojust, siis Q on negatiivne.
ΔU = Q – W = -2000 – 1000 = -3000 džauli.
Süsteem vabastab 2000 džauli soojust. Süsteem teeb ka 1000 džauli tööd (süsteemi vabanemisenergia). Seega väheneb süsteemi siseenergia 3000 J võrra.
Näide 3:
Süsteemile lisandub 2000 džauli soojust ja süsteemis tehakse 1000 džauli tööd. Arvutage süsteemi siseenergia muutus.
Lahendus
Süsteemi kallal on tööd tehtud, seega W on negatiivne.
ΔU = Q – W = 2000 – (-1000) = 3000 džauli.
Süsteemi siseenergia suureneb 3000 džauli võrra.
