Thermodynamisch proces
Warmte (Q) is de energie die van het ene object naar het andere stroomt als gevolg van een temperatuurverschil. In de context van systemen en omgevingen is warmte de energie die van een systeem naar de omgeving stroomt, of andersom, als gevolg van een temperatuurverschil. Als de temperatuur van het systeem hoger is dan de omgevingstemperatuur, stroomt er warmte van het systeem naar de omgeving. Als de omgevingstemperatuur hoger is dan de temperatuur van het systeem, stroomt er warmte van de omgeving naar het systeem.
Warmte (Q) is energie die zich verplaatst als gevolg van een temperatuurverschil, terwijl arbeid (W) verband houdt met energieoverdracht door middel van arbeid. Als een systeem bijvoorbeeld arbeid verricht op de omgeving, dan verplaatst energie zich van het systeem naar de omgeving. Omgekeerd, als de omgeving arbeid verricht op het systeem, dan verplaatst energie zich van de omgeving naar het systeem.
Interne energie en de eerste wet van de thermodynamica
De interne energie (U) van het systeem is de som van alle moleculaire kinetische energie in het systeem, plus de hoeveelheid potentiële energie die voortkomt uit de interactie tussen moleculen in het systeem. Als warmte van de omgeving naar het systeem stroomt (het systeem ontvangt energie), neemt de energie in het systeem toe. Omgekeerd, als het systeem arbeid verricht op de omgeving (het systeem geeft energie af), neemt de energie in het systeem af.
Volgens de wet van behoud van energie verandert de interne energie in het systeem als volgt: er wordt warmte aan het systeem toegevoegd (het systeem ontvangt energie) min de arbeid die door het systeem wordt verricht (het systeem geeft energie af).
ΔU = interne energieveranderingen, Q = warmte, W = arbeid
De interne energie is een microscopische grootheid van het systeem, waardoor de waarde ervan niet bekend is. Veranderingen in de interne energie kunnen echter wel worden vastgesteld aan de hand van de energie die aan het systeem wordt toegevoegd en de energie die het systeem vrijgeeft in de vorm van warmte en arbeid. Macroscopische grootheden zoals temperatuur (T), druk (p), volume (V) en massa (m) of het aantal mol (n) zijn daarentegen wel bekend.
Warmte en arbeid spelen alleen een rol bij de energieoverdracht tussen het systeem en de omgeving. Warmte en arbeid zijn geen grootheden die de toestand van het systeem aangeven.
Bordregels voor Warmte (Q) en Arbeid (W)
De tekenregels voor warmte en arbeid zijn aangepast aan de vergelijking van de eerste wet van de thermodynamica. Warmte (Q) in de bovenstaande vergelijking is de warmte die aan het systeem wordt toegevoegd (Q positief), terwijl arbeid (W) in de bovenstaande vergelijking de arbeid is die door het systeem wordt verricht (W positief). Als warmte het systeem verlaat, is Q negatief. Als er arbeid op het systeem wordt verricht, is W negatief.
Voorbeeld 1:
Als er 2000 joule warmte aan het systeem wordt toegevoegd, terwijl het systeem 1000 joule arbeid verricht, hoeveel verandert dan de interne energie van het systeem?
Het resultaat
Δ U = Q – W = 2000 – 1000 = 1000 Joule.
Het systeem absorbeert 2000 joule warmte (het systeem ontvangt energie) en levert tevens 1000 joule arbeid (het systeem geeft energie af). De energieverandering van het systeem bedraagt 1000 joule.
Voorbeeld 2:
Er wordt 2000 joule warmte aan het systeem onttrokken. Het systeem verricht 1000 joule arbeid. Bereken de verandering in de interne energie van het systeem.
Het resultaat
Als het systeem warmte afgeeft, is Q negatief.
Δ U = Q – W = -2000 – 1000 = -3000 Joule.
Het systeem geeft 2000 Joule warmte af. Het systeem verricht ook 1000 Joule arbeid (energie die het systeem vrijgeeft). Daardoor wordt de interne energie van het systeem met 3000 J verminderd.
Voorbeeld 3:
Er wordt 2000 joule warmte aan het systeem toegevoegd en er wordt 1000 joule arbeid op het systeem verricht. Bereken de verandering in de interne energie van het systeem.
Het resultaat
Er is werk verricht aan het systeem, dus W is negatief.
Δ U = Q – W = 2000 – (-1000) = 3000 Joule.
De interne energie van het systeem neemt toe met 3000 Joule.
