Quantificare il lavoro

Ricordate che l'energia interna di un sistema è definita come la somma di calore e lavoro. Il calore viene misurato con la calorimetria, ma come viene quantificato il lavoro? Il lavoro è il risultato di una forza, che un oggetto sperimenta, per esempio venendo tirato, spinto o sollevato, ad una data distanza.

Quindi il lavoro è uguale alla forza per la distanza. Se una mazza da golf scaglia una pallina a 30 metri, ha funzionato. L'energia viene trasferita dalla mazza alla pallina.

In questo caso, la palla è il sistema su cui il lavoro viene eseguito dall'ambiente circostante. Nelle reazioni chimiche, il lavoro può essere associato a più cambiamenti fisici o chimici in un sistema. Un tipo di lavoro comunemente riscontrato è il lavoro pressione-volume.

Considerate la combustione nel cilindro di un motore. Non solo la combustione genera calore, ma produce anche del gas, che compie il lavoro. Quando il volume del gas nel cilindro si espande, la pressione spinge il pistone verso il basso agendo contro le forze esterne dell'ambiente circostante.

La pressione è definita come una forza che agisce su un'area. Qui, la forza dei gas in espansione viene distribuita sull'area della base del pistone. In altre parole, la forza è pressione per area.

Pertanto, il lavoro, che è forza per distanza, può essere riscritto come pressione moltiplicata per l'area e la distanza su cui agisce. Per il cilindro del motore, questa è la differenza di altezza con cui si muove il pistone. Considerando che l'area per l'altezza è il volume di un cilindro, l'equazione del lavoro può essere definita come la pressione per la variazione di volume del sistema.

Tuttavia, poiché il volume aumenta e il pistone viene spinto verso il basso, il sistema esegue effettivamente un lavoro sull'ambiente che per convenzione è un valore negativo. Pertanto il lavoro è definito come il negativo della pressione P per il delta V o la variazione del volume finale e iniziale, avvenuta durante l'espansione. L'unità di lavoro pressione-volume è generalmente definita litro-atmosfera.

Questa unità può essere convertita nell'unità convenzionale di energia, Joule, utilizzando il fattore di conversione un litro-atmosfera è uguale a 101, 3 Joule.