6.5
Quantification du travail d'une force
Rappelons que l'énergie interne d'un système est définie comme la somme de la chaleur et de l'action. La chaleur est mesurée à l'aide de la calorimétrie, mais comment le travail est-il quantifié? L'action est le résultat d'une force, qu'un objet éprouve-comme en étant tiré, poussé ou soulevé-sur une distance.
Ainsi, l'action est égal à la force fois la distance. Si un club de golf frappe une balle de 100 pieds, alors il a fait du travail. L'énergie est transférée du club au ballon.
Dans ce cas, le ballon est le système sur lequel le travail est effectué par l'environnement. Dans les réactions chimiques, l'action peut être associé à de multiples changements physiques ou chimiques dans un système. Un type de travail couramment rencontré est le travail pression-volume.
Considérez la combustion dans le cylindre d'un moteur. Non seulement la combustion génère-t-elle de la chaleur, mais elle produit également du gaz qui effectue un travail. Lorsque le volume de gaz dans le cylindre se dilate, la pression pousse le piston vers le bas en agissant contre les forces extérieures dans l'environnement.
La pression est définie comme une force agissant sur une zone. Ici, la force des gaz en expansion est répartie sur la surface de la base du piston. En d'autres termes, la force est la zone de temps de pression.
Ainsi, l'action, qui est la force fois la distance, peut être réécrit comme la pression multipliée par la zone et la distance sur laquelle il agit. Pour le cylindre du moteur, c'est la différence de hauteur que le piston déplace. Considérant que la surface fois la hauteur est le volume d'un cylindre, l'équation pour l'action peut être définie comme la pression fois le changement de volume du système.
Cependant, parce que le volume augmente et que le piston est poussé vers le bas, le système effectue effectivement un action sur l'environnement qui, par convention, est une valeur négative. Par conséquent, le travail est défini comme le négatif de la pression P fois delta V ou le changement de volume final et initial, qui s'est produit lors de l'expansion. L'unité d'action pression-volume est généralement définie comme un litre-atmosphère.
Cette unité peut être convertie en l'unité conventionnelle d'énergie, Joules, en utilisant le facteur de conversion un litre-atmosphère est égale à 101, 3 Joules.
Lorsqu'un système subit une transformation, son énergie interne peut varier et l'énergie peut être transférée du système à l'environnement extérieur, ou de l'environnement au système.
Le transfert d'énergie se produit par la chaleur et le travail. La relation entre l'énergie interne, la chaleur et le travail est représentée par l'équation :
Alors que la chaleur est une fonction d'un changement de température observé, le travail est une fonction d'un changement de volume observé appelé le travail pression-volume. Le travail (w) peut être défini comme une force (F) agissant sur une distance (D).
Le travail pression-volume (ou travail d'expansion) se produit lorsqu'un système repousse l'environnement contre une pression de retenue, ou lorsque l'environnement comprime le système. Un exemple de ceci se produit pendant le fonctionnement d'un moteur à combustion interne. La réaction de combustion de l'essence et de l'oxygène est exothermique. Une partie de cette énergie est cédée sous forme de chaleur, et une partie est réalisée comme un travail en détendant les gaz dans le cylindre, poussant ainsi le piston vers l'extérieur. Les substances impliquées dans la réaction sont le système, et le moteur ainsi que le reste de l'univers sont l'environnement extérieur. Le système perd de l'énergie en chauffant et en effectuant un travail sur l'environnement extérieur, et son énergie interne diminue.
Lorsque le volume d'un cylindre augmente (c'est-à-dire que le gaz se dilate), il pousse contre une force externe, c'est-à-dire la pression définie comme force par unité de surface.
A partir des équations 2 et 3 :
Le produit de la surface et de la distance (A × D) est égal à la variation du volume (ΔV) du gaz dans le cylindre.
Par conséquent,
Comme le volume augmente pendant l'expansion, Vfinal > Vinitial, et ΔV est positif. Toutefois, pour une expansion positive (c.-à-d., lorsque le système effectue un travail sur l'environnement extérieur), w doit être négatif et, par conséquent, un signe négatif est ajouté à l'équation.
Selon cette équation, le travail pression-volume est la valeur négative de la pression externe (ou de la pression opposée) multiplié par le changement de volume.
L'unité de travail basée sur cette équation est L·atm. D'autres facteurs de conversion utiles sont :
Ce texte est adapté de Openstax, Chimie 2e, Section 5.3 : Enthalpie.
Rappelons que l'énergie interne d'un système est définie comme la somme de la chaleur et de l'action. La chaleur est mesurée à l'aide de la calorimétrie, mais comment le travail est-il quantifié? L'action est le résultat d'une force, qu'un objet éprouve-comme en étant tiré, poussé ou soulevé-sur une distance.
Ainsi, l'action est égal à la force fois la distance. Si un club de golf frappe une balle de 100 pieds, alors il a fait du travail. L'énergie est transférée du club au ballon.
Dans ce cas, le ballon est le système sur lequel le travail est effectué par l'environnement. Dans les réactions chimiques, l'action peut être associé à de multiples changements physiques ou chimiques dans un système. Un type de travail couramment rencontré est le travail pression-volume.
Considérez la combustion dans le cylindre d'un moteur. Non seulement la combustion génère-t-elle de la chaleur, mais elle produit également du gaz qui effectue un travail. Lorsque le volume de gaz dans le cylindre se dilate, la pression pousse le piston vers le bas en agissant contre les forces extérieures dans l'environnement.
La pression est définie comme une force agissant sur une zone. Ici, la force des gaz en expansion est répartie sur la surface de la base du piston. En d'autres termes, la force est la zone de temps de pression.
Ainsi, l'action, qui est la force fois la distance, peut être réécrit comme la pression multipliée par la zone et la distance sur laquelle il agit. Pour le cylindre du moteur, c'est la différence de hauteur que le piston déplace. Considérant que la surface fois la hauteur est le volume d'un cylindre, l'équation pour l'action peut être définie comme la pression fois le changement de volume du système.
Cependant, parce que le volume augmente et que le piston est poussé vers le bas, le système effectue effectivement un action sur l'environnement qui, par convention, est une valeur négative. Par conséquent, le travail est défini comme le négatif de la pression P fois delta V ou le changement de volume final et initial, qui s'est produit lors de l'expansion. L'unité d'action pression-volume est généralement définie comme un litre-atmosphère.
Cette unité peut être convertie en l'unité conventionnelle d'énergie, Joules, en utilisant le facteur de conversion un litre-atmosphère est égale à 101, 3 Joules.
- Travail Pression-Volume - Une transaction d'énergie où un système impacte l'environnement en résistant à la pression ou en étant compressé par elle.
- Énergie Interne - Le changement d'énergie qui a lieu pendant la transformation d'un système.
- Pression Externe - La force opposée contre laquelle un système travaille en changeant de volume.
- Travail d'Expansion - Le processus où l'énergie est utilisée pour amplifier les gaz dans un cylindre, par exemple dans un moteur à combustion interne.
- Calcul du Travail en Chimie - L'action où les changements de pression et de volume sont quantifiés pour déterminer le transfert d'énergie.
- Définir le travail de pression-volume – Expliquer le transfert d'énergie lorsqu'un système résiste à la pression ou se comprime (par exemple, équation du travail de pression-volume).
- Contraster l'énergie interne et externe – Énumérer les différences entre l'énergie interne et externe (par exemple, le rôle de l'environnement).
- Explorer le travail d'expansion – Discuter de la façon dont l'énergie alimente l'élargissement des gaz dans un cylindre (par exemple, la combustion dans les moteurs à combustion interne).
- Expliquer les changements de pression – Comprendre les impacts des changements de pression sur le travail, le volume et l'énergie.
- Appliquer le calcul du travail en chimie – Apprendre à calculer le travail à partir des changements de pression et de volume en chimie.
- Qu'est-ce que le travail pression-volume et comment affecte-t-il l'environnement?
- Comment le travail d'expansion contribue-t-il au fonctionnement des moteurs à combustion interne?
- Comment les changements de pression et de volume sont-ils calculés pour le travail en chimie?
From Chapter 6:
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6.5 : Quantification du travail d'une force
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6.1 : Notions de base sur l'énergie
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6.2 : Première loi de la thermodynamique
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6.3 : Énergie interne
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6.4 : Quantification de la chaleur
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6.6 : Enthalpie
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6.7 : Équations thermochimiques
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6.8 : Calorimétrie à pression constante
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6.9 : Calorimétrie à volume constant
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6.10 : Loi de Hess
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6.11 : Enthalpie standard de formation
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6.12 : Enthalpies de réaction
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