Kwantificeren van werk

Bedenk dat de inwendige energie van een systeem wordt gedefinieerd als de som van warmte en arbeid. Warmte wordt gemeten met calorimetrie, maar hoe wordt werk gekwantificeerd? Arbeid is het resultaat van een kracht die een object ervaart bijvoorbeeld door eraan te trekken, te duwen of te tillen over een afstand.

Arbeid is dus gelijk aan kracht maal afstand. Als een golfclub een bal 30 meter raakt, heeft hij arbeid verricht. Energie wordt overgedragen van de club naar de bal.

De bal is in dit geval het systeem waarop door de omgeving arbeid wordt verricht. Bij chemische reacties kan arbeid worden geassocieerd met meerdere fysische of chemische veranderingen in een systeem. Een veel voorkomend soort arbeid is druk-volume arbeid.

Denk aan de verbranding in de cilinder van een motor. De verbranding genereert niet alleen warmte, maar ook gas, dat arbeid verricht. Wanneer het gasvolume in de cilinder uitzet, duwt de druk de zuiger naar beneden tegen krachten van buitenaf in de omgeving.

Druk wordt gedefinieerd als een kracht die over een gebied inwerkt. Hier wordt de kracht van de uitzettende gassen verdeeld over het gebied van de basis van de zuiger. Met andere woorden, de kracht is druk maal gebied.

Arbeid, dat kracht maal afstand is, kan dus worden herschreven als druk vermenigvuldigd met het gebied en de afstand waarover het werkt. Voor de motorcilinder is dit het hoogteverschil dat de zuiger beweegt. Aangezien oppervlakte maal hoogte het volume van een cilinder is, kan de vergelijking voor arbeid worden gedefinieerd als druk maal de volumeverandering van het systeem.

Omdat het volume echter toeneemt en de zuiger naar beneden wordt gedrukt, verricht het systeem feitelijk arbeid aan de omgeving, wat volgens afspraak een negatieve waarde is. Daarom wordt werk gedefinieerd als het negatief van de druk P maal delta V of de verandering tussen het uiteindelijke en initiële volume, die plaatsvond tijdens de expansie. De eenheid voor druk-volume-arbeid wordt meestal gedefinieerd als liter-atmosfeer.

Deze eenheid kan worden omgezet naar de conventionele energie-eenheid, Joules, door de conversiefactor te gebruiken dat één liter-atmosfeer gelijk is aan 101, 3 Joule.