Proces termodynamiczny
Ciepło (Q) to energia, która przemieszcza się z jednego obiektu do drugiego z powodu różnicy temperatur. W układach i środowiskach ciepło to energia przemieszczająca się z układu do otoczenia lub energia przemieszczająca się z otoczenia do układu z powodu różnicy temperatur. Jeśli temperatura układu jest wyższa niż temperatura otoczenia, ciepło będzie przepływać z układu do otoczenia. Jeśli temperatura otoczenia jest wyższa niż temperatura układu, ciepło będzie przepływać z otoczenia do układu.
Ciepło (Q) to energia, która przemieszcza się pod wpływem różnicy temperatur, natomiast praca (W) jest związana z przenoszeniem energii poprzez pracę. Na przykład, jeśli układ wykonuje pracę nad otoczeniem, to energia przemieszcza się z układu do otoczenia. I odwrotnie, jeśli otoczenie wykonuje pracę nad układem, to energia przemieszcza się z otoczenia do układu.
Energia wewnętrzna i pierwsza zasada termodynamiki
Energia wewnętrzna (U) układu to suma całej energii kinetycznej cząsteczek w układzie oraz energii potencjalnej wynikającej z interakcji między cząsteczkami w układzie. Jeśli ciepło przepływa z otoczenia do układu (układ otrzymuje energię), energia w układzie rośnie. I odwrotnie, jeśli układ wykonuje pracę nad otoczeniem (układ uwalnia energię), energia w układzie maleje.
Zgodnie z zasadą zachowania energii, energia wewnętrzna w układzie ulega zmianie = ciepło jest dodawane do układu (układ otrzymuje energię) minus praca wykonana przez układ (układ uwalnia energię).
Δ U = zmiany energii wewnętrznej, Q = ciepło, W = praca
Energia wewnętrzna to mikroskopijna wartość układu, której nie da się poznać. Zmiany energii wewnętrznej można poznać poprzez energię dodaną do układu oraz energię uwalnianą przez układ w postaci ciepła i pracy. Natomiast wielkości makroskopowe, takie jak temperatura (T), ciśnienie (p), objętość (V) i masa (m) lub niektóre mole (n), są znane.
Ciepło i praca biorą udział wyłącznie w procesie transferu energii między układem a otoczeniem. Ciepło i praca nie są wielkościami określającymi stan układu.
Zasady dotyczące ciepła (Q) i pracy (W)
Reguły dotyczące ciepła i pracy są dostosowane do równania Pierwszej Zasady Termodynamiki. Ciepło (Q) w powyższym równaniu to ciepło dodane do układu (Q dodatnie), natomiast praca (W) w powyższym równaniu to praca wykonana przez układ (W dodatnie). Jeśli ciepło opuszcza układ, to Q jest ujemne. Jeśli praca jest wykonywana nad układem, to W jest ujemne.
Przykład 1 :
Jeśli do układu zostanie dodane ciepło 2000 dżuli, a układ wykona pracę 1000 dżuli, o ile zmieni się energia wewnętrzna układu?
Rozwiązanie
Δ U = Q – W = 2000 – 1000 = 1000 dżuli.
System pochłania 2000 dżuli ciepła (system odbiera energię), a także wykonuje pracę o wartości 1000 dżuli (system uwalnia energię). Zmiana energii systemu = 1000 dżuli.
Przykład 2 :
Ciepło opuszcza układ o wartości 2000 dżuli. Układ wykonuje pracę o wartości 1000 dżuli. Oblicz zmiany energii wewnętrznej układu.
Rozwiązanie
Jeżeli układ uwalnia ciepło, to Q jest ujemne.
Δ U = Q – W = -2000 – 1000= -3000 dżuli.
Układ uwalnia ciepło o wartości 2000 dżuli. Układ wykonuje również pracę o wartości 1000 dżuli (energia uwalniana przez układ). W rezultacie energia wewnętrzna układu zmniejsza się o 3000 J.
Przykład 3 :
Do układu dodano ciepło 2000 dżuli, a na układzie wykonano pracę równą 1000 dżuli. Oblicz zmiany energii wewnętrznej układu.
Rozwiązanie
Wykonano pracę nad układem, więc W jest ujemne.
Δ U = Q – W = 2000 – (-1000) = 3000 dżuli.
Energia wewnętrzna układu wzrasta o 3000 dżuli.
