فرآیند ترمودینامیکی
گرما (Q) انرژیای است که به دلیل اختلاف دما از یک جسم به جسم دیگر منتقل میشود. در مورد سیستمها و محیطها، گرما انرژیای است که به دلیل اختلاف دما از سیستم به محیط یا از محیط به سیستم منتقل میشود. اگر دمای سیستم بالاتر از دمای محیط باشد، گرما از سیستم به محیط جریان مییابد. اگر دمای محیط بالاتر از دمای سیستم باشد، گرما از محیط به سیستم جریان مییابد.
گرما (Q) انرژیای است که به دلیل اختلاف دما جابجا میشود، در حالی که کار (W) مربوط به انتقال انرژی از طریق کار است. برای مثال، اگر سیستم روی محیط کار انجام دهد، انرژی از سیستم به محیط منتقل میشود. برعکس، اگر محیط روی سیستم کار انجام دهد، انرژی از محیط به سیستم منتقل میشود.
انرژی درونی و قانون اول ترمودینامیک
انرژی درونی (U) سیستم، مجموع تمام انرژی جنبشی مولکولی در سیستم به علاوهی مقدار تمام انرژی پتانسیل ناشی از برهمکنش بین مولکولهای سیستم است. اگر گرما از محیط به سیستم جریان یابد (سیستم انرژی دریافت کند)، انرژی در سیستم افزایش مییابد. برعکس، اگر سیستم روی محیط کار انجام دهد (سیستم انرژی آزاد کند)، انرژی در سیستم کاهش مییابد.
بر اساس پایستگی انرژی، تغییرات انرژی درونی در سیستم = گرما به سیستم اضافه میشود (سیستم انرژی دریافت میکند) منهای کار انجام شده توسط سیستم (سیستم انرژی آزاد میکند).
Δ U = تغییرات انرژی درونی، Q = گرما، W = کار
انرژی درونی کمیت میکروسکوپی سیستم است، به طوری که مقدار آن قابل تعیین نیست. در حالی که تغییرات انرژی درونی را میتوان از طریق انرژی اضافه شده به سیستم و انرژی آزاد شده توسط سیستم به شکل گرما و کار مشخص کرد. در مقابل، کمیتهای ماکروسکوپی مانند دما (T)، فشار (p)، حجم (V) و جرم (m) یا تعدادی مول (n) مشخص هستند.
گرما و کار فقط در فرآیند انتقال انرژی بین سیستم و محیط دخیل هستند. گرما و کار کمیتی نیست که وضعیت سیستم را بیان کند.
قوانین علامت گذاری برای گرما (Q) و کار (W)
قوانین علامت برای گرما و کار با معادله قانون اول ترمودینامیک تنظیم میشوند. گرما (Q) در معادله بالا، گرمایی است که به سیستم اضافه میشود (Q مثبت)، در حالی که کار (W) در معادله بالا، کاری است که توسط سیستم انجام میشود (W مثبت). اگر گرما از سیستم خارج شود، Q منفی است. اگر کار روی سیستم انجام شود، W منفی است.
مثال ۱:
اگر ۲۰۰۰ ژول گرما به سیستم اضافه شود، در حالی که سیستم ۱۰۰۰ ژول کار انجام میدهد. انرژی درونی سیستم چقدر تغییر میکند؟
راه حل
Δ U = Q – W = 2000 – 1000= 1000 ژول.
این سیستم ۲۰۰۰ ژول گرما جذب میکند (سیستم انرژی دریافت میکند)، همچنین ۱۰۰۰ ژول کار تحویل میدهد (انرژی آزاد شده سیستم). تغییر انرژی سیستم = ۱۰۰۰ ژول.
مثال ۱:
۲۰۰۰ ژول گرما از سیستم خارج میشود. سیستم ۱۰۰۰ ژول کار انجام میدهد. تغییرات انرژی درونی سیستم را محاسبه کنید.
راه حل
اگر سیستم گرما آزاد کند، آنگاه Q منفی است.
Δ U = Q – W = -2000 – 1000= -3000 ژول.
این سیستم ۲۰۰۰ ژول گرما آزاد میکند. همچنین ۱۰۰۰ ژول کار (انرژی آزاد شده سیستم) انجام میدهد. بنابراین، انرژی داخلی سیستم ۳۰۰۰ ژول کاهش مییابد.
مثال ۱:
۲۰۰۰ ژول گرما به سیستم اضافه شده است و ۱۰۰۰ ژول کار روی سیستم انجام شده است. تغییرات انرژی درونی سیستم را محاسبه کنید.
راه حل
کار روی سیستم انجام شده است، بنابراین W منفی است.
Δ U = Q – W = 2000 – (-1000) = 3000 ژول.
انرژی درونی سیستم ۳۰۰۰ ژول افزایش مییابد.
