Varmafræðilegt ferli
Varmi (Q) er orkan sem flyst frá einum hlut til annars vegna hitamismunar. Þegar kemur að kerfum og umhverfi er varmi orka sem flyst frá kerfi til umhverfis eða orka sem flyst frá umhverfi til kerfis vegna hitamismunar. Ef kerfishitastigið er hærra en umhverfishitastigið mun varmi streyma frá kerfinu til umhverfisins. Ef umhverfishitastigið er hærra en kerfishitastigið þá flyst varmi frá umhverfinu til kerfisins.
Varmi (Q) er orka sem hreyfist vegna hitamismunar, en vinna (W) tengist orkuflutningi í gegnum vinnu. Til dæmis, ef kerfið vinnur á umhverfið, þá flyst orka frá kerfinu til umhverfisins. Aftur á móti, ef umhverfið vinnur á kerfið, þá flyst orka frá umhverfi til kerfis.
Innri orka og fyrsta lögmál varmafræðinnar
Innri orka (U) kerfisins er summa allrar hreyfiorku sameinda í kerfinu, auk allrar hugsanlegrar orku sem myndast við víxlverkun milli sameinda í kerfinu. Ef varmi streymir frá umhverfinu til kerfisins (kerfið tekur við orku) eykst orkan í kerfinu. Aftur á móti, ef kerfið vinnur á umhverfið (kerfið losar orku), minnkar orkan í kerfinu.
Samkvæmt orkuvarðveislu breytast innri orkustig kerfisins = hiti bætist við kerfið (kerfið tekur við orku) að frádreginni þeirri vinnu sem kerfið framkvæmir (kerfið losar orku).
Δ U = innri orkubreytingar, Q = Varmi, W = Vinna
Innri orka er smásæ stærð kerfisins þannig að ekki er hægt að vita gildi hennar. Breytingar á innri orku má vita með því að nota orku sem bætist við kerfið og orku sem losnar frá kerfinu í formi varma og vinnu. Hins vegar eru stórsæ stærðir eins og hitastig (T), þrýstingur (p), rúmmál (V) og massi (m) eða nokkur mól (n) þekktar.
Varmi og vinna taka aðeins þátt í orkuflutningsferlinu milli kerfisins og umhverfisins. Varmi og vinna er ekki stærð sem segir til um ástand kerfisins.
Reglur um skilti fyrir varma (Q) og vinnu (W)
Reglurnar fyrir merki um varma og vinnu eru aðlagaðar að jöfnu fyrsta lögmáls varmafræðinnar. Varmi (Q) í ofangreindri jöfnu er sá varmi sem bætist við kerfið (Q jákvætt), en vinna (W) í ofangreindri jöfnu er vinnan sem kerfið vinnur (W jákvætt). Ef varmi fer úr kerfinu, þá er Q neikvætt. Ef vinna er unnin á kerfinu, þá er W neikvætt.
Dæmi 1:
Ef 2000 joulum er bætt við kerfið á meðan kerfið vinnur 1000 joulum. Hversu mikið breytist þá innri orkukerfið?
lausn
ΔU = Q – W = 2000 – 1000 = 1000 joular.
Kerfið gleypir 2000 joula af hita (orkan sem kerfið tekur við) og kerfið skilar einnig 1000 joula af vinnu (orkan sem kerfið losar). Orkubreyting kerfisins = 1000 joula.
Dæmi 2:
2000 Joule hiti fer úr kerfinu. Kerfið framkvæmir 1000 Joule vinnu. Reiknið út breytingar á innri orku kerfisins.
lausn
Ef kerfið gefur frá sér hita, þá er Q neikvætt.
ΔU = Q – W = -2000 – 1000 = -3000 joule.
Kerfið losar 2000 Júl hita. Kerfið framkvæmir einnig 1000 Júl vinnu (orkulosun kerfisins). Þannig minnkar innri orka kerfisins um 3000 J.
Dæmi 3:
2000 joula varma er bætt við kerfið og 1000 joula vinna er framkvæmd á kerfinu. Reiknaðu breytingar á innri orku kerfisins.
lausn
Vinna var gerð á kerfinu, þannig að W er neikvætt.
ΔU = Q – W = 2000 – (-1000) = 3000 joular.
Innri orka kerfisins eykst um 3000 joule.
