Quantifizierung von Arbeit

Erinnern wir uns, dass die innere Energie eines Systems als die Summe von Wärme und Arbeit definiert ist. Die Wärme wird mit Kalorimetrie gemessen, aber wie wird die Arbeit quantifiziert? Arbeit ist das Ergebnis einer Kraft, die ein Objekt erlebt zum Beispiel durch Ziehen, Schieben oder Heben über eine Distanz.

Somit ist Arbeit gleich Kraft mal Weg. Wenn ein Golfschläger einen Ball 100 Fuß wegschlägt, dann hat er Arbeit geleistet. Die Energie wird vom Schläger auf den Ball übertragen.

In diesem Fall ist der Ball das System an dem Arbeit aus der Umgebung verrichtet wird. Bei chemischen Reaktionen kann die Arbeit mit mehreren physikalischen oder chemischen Veränderungen in einem System verbunden sein. Eine häufig anzutreffende Art von Arbeit ist die Druck-Volumen-Arbeit.

Betrachten Sie die Verbrennung im Zylinder eines Motors. Die Verbrennung erzeugt nicht nur Wärme, sie produziert auch Gas, das Arbeit leistet. Wenn sich das Gasvolumen im Zylinder ausdehnt, der Druck drückt den Kolben nach unten, gegen äußere Kräfte aus der Umgebung wirkend.

Druck ist definiert als eine Kraft, die über eine Fläche wirkt. Hier ist die Kraft der expandierenden Gase über die Fläche des Kolbenbodens verteilt. Mit anderen Worten, die Kraft ist Druck mal Fläche.

Also Arbeit, die Kraft mal Weg ist, kann umgeschrieben werden als Druck multipliziert durch die Fläche und die Entfernung auf die sie wirkt. Für den Motorzylinder ist dies der Höhenunterschied, der den Kolben bewegt. Wenn man bedenkt, dass Fläche mal Höhe das Volumen eines Zylinders ist, kann die Gleichung für die Arbeit als Druck mal Volumenänderung des Systems definiert werden.

Da jedoch das Volumen zunimmt und der Kolben nach unten gedrückt wird, wird das System tatsächlich Arbeiten an der Umgebung durchführen, was per Konvention ein negativer Wert ist. Deshalb wird Arbeit als der Negativwert des Drucks P mal delta V oder die Änderung des endgültigen und ersten Volumens, die während der Erweiterung geschah, definiert. Die Einheit für Druck-Volumen-Arbeiten wird üblicherweise als Liter-Atmosphäre definiert.

Diese Einheit kann in die konventionelle Energieeinheit, Joule, umgewandelt werden, unter Verwendung des Umwandlungsfaktors eine Liter-Atmosphäre entspricht 101, 3 Joule.