Proces termodinamic
Căldura (Q) este energia care se deplasează de la un obiect la altul din cauza diferenței de temperatură. În ceea ce privește sistemele și mediile, căldura este energia care se deplasează de la sistem la mediu sau energia care se deplasează de la mediu la sistem, datorită diferenței de temperatură. Dacă temperatura sistemului este mai mare decât temperatura ambiantă, căldura va circula din sistem în mediu. Dacă temperatura ambiantă este mai mare decât temperatura sistemului, atunci căldura circulă din mediu în sistem.
Căldura (Q) este energia care se deplasează datorită diferenței de temperatură, în timp ce lucrul mecanic (W) este legat de transferul de energie prin lucru mecanic. De exemplu, dacă sistemul efectuează lucru mecanic asupra mediului, atunci energia se deplasează din sistem în mediu. Invers, dacă mediul efectuează lucru mecanic asupra sistemului, atunci energia se deplasează din mediu în sistem.
Energia internă și prima lege a termodinamicii
Energia internă (U) a sistemului este suma întregii energii cinetice moleculare din sistem, plus cantitatea de energie potențială care rezultă din interacțiunea dintre moleculele din sistem. Dacă căldura trece din mediul înconjurător în sistem (sistemul primește energie), energia din sistem crește. Invers, dacă sistemul efectuează un lucru mecanic asupra mediului înconjurător (sistemul eliberează energie), energia din sistem scade.
Pe baza conservării energiei, energia internă se modifică în sistem = se adaugă căldură sistemului (sistemul primește energie) minus lucrul mecanic efectuat de sistem (sistemul eliberează energie).
Δ U = schimbări de energie internă, Q = Căldură, W = Lucru mecanic
Energia internă este mărimea microscopică a sistemului, astfel încât valoarea sa nu poate fi cunoscută. În timp ce modificările energiei interne pot fi cunoscute prin energia adăugată sistemului și energia eliberată de sistem sub formă de căldură și lucru mecanic. În schimb, mărimile macroscopice, cum ar fi temperatura (T), presiunea (p), volumul (V) și masa (m) sau câțiva moli (n), sunt cunoscute.
Căldura și lucrul mecanic sunt implicate doar în procesul de transfer de energie dintre sistem și mediu. Căldura și lucrul mecanic nu sunt o mărime care indică starea sistemului.
Reguli de semn pentru Căldură (Q) și Lucru Mecanic (W)
Regulile de semn pentru căldură și lucru mecanic sunt ajustate la ecuația Primei Legi a Termodinamicii. Căldura (Q) în ecuația de mai sus este căldura adăugată sistemului (Q pozitiv), în timp ce lucrul mecanic (W) în ecuația de mai sus este lucrul mecanic efectuat de sistem (W pozitiv). Dacă căldura părăsește sistemul, atunci Q este negativ. Dacă se efectuează lucru mecanic asupra sistemului, atunci W este negativ.
Exemplul 1:
Dacă se adaugă sistem 2000 Jouli de căldură, iar sistemul efectuează un lucru mecanic de 1000 Jouli, cu cât se modifică energia internă a sistemului?
Soluţie
Δ U = Q – W = 2000 – 1000 = 1000 Jouli.
Sistemul absoarbe 2000 Jouli de căldură (sistemul primește energie), iar sistemul furnizează și 1000 Jouli de lucru mecanic (energie eliberată de sistem). Variația de energie a sistemului = 1000 Jouli.
Exemplul 2:
O cantitate de căldură de 2000 Jouli părăsește sistemul. Sistemul efectuează un lucru mecanic de 1000 Jouli. Calculați variațiile de energie internă ale sistemului.
Soluţie
Dacă sistemul eliberează căldură, atunci Q este negativ.
Δ U = Q – W = -2000 – 1000 = -3000 Jouli.
Sistemul eliberează căldură de 2000 Joule. De asemenea, sistemul efectuează un lucru mecanic de 1000 Joule (energie eliberată de sistem). Astfel, energia internă a sistemului este redusă cu 3000 J.
Exemplul 3:
Sistemului i se adaugă 2000 Jouli de căldură și se efectuează un lucru mecanic de 1000 Jouli. Calculați variațiile de energie internă ale sistemului.
Soluţie
S-a efectuat lucru asupra sistemului, deci W este negativ.
Δ U = Q – W = 2000 – (-1000) = 3000 Jouli.
Energia internă a sistemului crește cu 3000 Jouli.
