Termodinamički proces
Toplina (Q) je energija koja se kreće s jednog objekta na drugi zbog temperaturne razlike. Što se tiče sustava i okolina, toplina je energija koja se kreće iz sustava u okolinu ili energija koja se kreće iz okoline u sustav zbog temperaturne razlike. Ako je temperatura sustava viša od temperature okoline, toplina će teći iz sustava u okolinu. Ako je temperatura okoline viša od temperature sustava, tada toplina teče iz okoline u sustav.
Toplina (Q) je energija koja se kreće zbog temperaturne razlike, dok je rad (W) povezan s prijenosom energije putem rada. Na primjer, ako sustav obavlja rad na okolini, tada se energija kreće iz sustava u okolinu. Obrnuto, ako okolina obavlja rad na sustavu, tada se energija kreće iz okoline u sustav.
Unutarnja energija i prvi zakon termodinamike
Unutarnja energija (U) sustava je zbroj sve molekularne kinetičke energije u sustavu, plus količina sve potencijalne energije koja proizlazi iz interakcije između molekula u sustavu. Ako toplina teče iz okoline u sustav (sustav prima energiju), energija u sustavu se povećava. Obrnuto, ako sustav obavlja rad na okolini (sustav oslobađa energiju), energija u sustavu se smanjuje.
Na temelju zakona očuvanja energije, unutarnja energija se mijenja u sustavu = toplina se dodaje sustavu (sustav prima energiju) minus rad koji sustav izvrši (sustav oslobađa energiju).
ΔU = promjene unutarnje energije, Q = toplina, W = rad
Unutarnja energija je mikroskopska veličina sustava tako da se njezina vrijednost ne može znati. Dok se promjene unutarnje energije mogu znati kroz energiju dodanu sustavu i energiju koju sustav oslobađa u obliku topline i rada, makroskopske veličine poput temperature (T), tlaka (p), volumena (V) i mase (m) ili nekoliko molova (n) su poznate.
Toplina i rad sudjeluju samo u procesu prijenosa energije između sustava i okoline. Toplina i rad nisu veličina koja opisuje stanje sustava.
Pravila predznaka za toplinu (Q) i rad (W)
Pravila predznaka za toplinu i rad prilagođena su jednadžbi prvog zakona termodinamike. Toplina (Q) u gornjoj jednadžbi je toplina koja se dodaje sustavu (Q pozitivno), dok je rad (W) u gornjoj jednadžbi rad koji sustav obavi (W pozitivno). Ako toplina napušta sustav, tada je Q negativan. Ako se na sustavu obavlja rad, tada je W negativan.
Primjer 1:
Ako se sustavu doda toplina od 2000 Joula, a sustav obavi rad od 1000 Joula, koliko se promijeni unutarnja energija sustava?
Riješenje
ΔU = Q – W = 2000 – 1000 = 1000 džula.
Sustav apsorbira 2000 Joula topline (sustav prima energiju), a sustav također isporučuje 1000 Joula rada (sustav oslobađa energiju). Promjena energije sustava = 1000 Joula.
Primjer 2:
Toplina od 2000 Joula napušta sustav. Sustav obavlja rad od 1000 Joula. Izračunajte promjene unutarnje energije sustava.
Riješenje
Ako sustav oslobađa toplinu, tada je Q negativan.
ΔU = Q – W = -2000 – 1000 = -3000 Džula.
Sustav oslobađa toplinu od 2000 Joulea. Sustav također obavlja rad od 1000 Joulea (energija oslobađanja sustava). Stoga se unutarnja energija sustava smanjuje za 3000 J.
Primjer 3:
Sustavu se dodaje toplina od 2000 Joula i na sustavu se obavlja rad od 1000 Joula. Izračunajte promjene unutarnje energije sustava.
Riješenje
Rad je obavljen na sustavu, pa je W negativan.
ΔU = Q – W = 2000 – (-1000) = 3000 džula.
Unutarnja energija sustava povećava se za 3000 Joula.
