6.5: Kwantyfikacja pracy

Gdy system ulega zmianom, jego energia wewnętrzna może się zmienić, a energia może zostać przeniesiona z układu do otoczenia lub z otoczenia do układu.

Przekazywanie energii następuje poprzez ciepło i pracę. Związek pomiędzy energią wewnętrzną, ciepłem i pracą opisuje równanie:

Podczas gdy ciepło jest funkcją obserwowanej zmiany temperatury, praca jest funkcją obserwowanej zmiany objętości, zwanej pracą ciśnienie-objętość. Pracę (w) można zdefiniować jako siłę (F) działającą na drodze (D).

Praca ciśnieniowo-objętościowa (lub praca rozprężająca) ma miejsce, gdy system odpycha otoczenie wbrew ciśnieniu ograniczającemu lub gdy otoczenie ściska system. Przykładem tego jest praca silnika spalinowego. Reakcja spalania benzyny i tlenu jest egzotermiczna. Część tej energii jest oddawana w postaci ciepła, a część jest wykonywana w postaci pracy poprzez rozprężanie gazów w cylindrze, wypychając w ten sposób tłok na zewnątrz. Substancje biorące udział w reakcji to układ, a silnik i reszta wszechświata to otoczenie. Układ traci energię zarówno na skutek ogrzewania, jak i wykonywania pracy nad otoczeniem, a jego energia wewnętrzna maleje.

Kiedy objętość cylindra wzrasta (tj. gaz rozszerza się), naciska on na siłę zewnętrzną, czyli ciśnienie określone jako siła na jednostkę powierzchni.

Z równań 2 i 3:

Iloczyn pola i odległości (A × D) jest równy zmianie objętości (ΔV) gazu w butli.

Dlatego,

Ponieważ objętość wzrasta podczas rozszerzania, Vfinal > Vinitial, a ΔV jest dodatnie. Jednakże w przypadku dodatniego rozszerzenia (tj. gdy układ działa na otoczenie) w powinno być ujemne i dlatego do równania dodawany jest znak ujemny.

Zgodnie z tym równaniem praca ciśnienia i objętości jest ujemną wartością ciśnienia zewnętrznego (lub ciśnienia przeciwnego) pomnożonego przez zmianę objętości.

Jednostką pracy opartą na tym równaniu jest L·atm. Inne przydatne współczynniki konwersji to:

Przypomnijmy, że energia wewnętrzna systemu jest definiowana jako suma ciepła i pracy. Ciepło mierzy się za pomocą kalorymetrii, ale jak określa się ilościowo pracę?

Praca jest wynikiem działania siły, której doświadcza obiekt – na przykład poprzez ciągnięcie, pchanie lub podnoszenie – na odległość. Zatem praca równa się sile razy odległość. 

Jeśli kij golfowy uderzy piłkę na 100 stóp, oznacza to, że wykonał pracę. Energia jest przenoszona z kija do piłki.

W tym przypadku piłka jest systemem, na którym praca jest wykonywana przez otoczenie. 

W reakcjach chemicznych praca może być związana z wieloma zmianami fizycznymi lub chemicznymi w układzie. Często spotykanym rodzajem pracy jest praca ciśnieniowo-objętościowa.

Weźmy pod uwagę spalanie w cylindrze silnika. Spalanie nie tylko wytwarza ciepło, ale także wytwarza gaz, który wykonuje pracę.

Gdy objętość gazu w butli rozszerza się, ciśnienie popycha tłok w dół, działając przeciwko siłom zewnętrznym w otoczeniu.  

Ciśnienie definiuje się jako siłę działającą na obszar. W tym przypadku siła od rozprężających się gazów jest rozprowadzana na obszarze podstawy tłoka. Innymi słowy, siła to ciśnienie razy powierzchnia.

W ten sposób praca, która jest siłą razy odległość, może być zapisana jako ciśnienie pomnożone przez obszar i odległość, na którą działa. W przypadku cylindra silnika jest to różnica wysokości, w której porusza się tłok. 

Biorąc pod uwagę, że powierzchnia razy wysokość to objętość cylindra, równanie pracy można zdefiniować jako ciśnienie pomnożone przez zmianę objętości układu. 

Ponieważ jednak objętość wzrasta, a tłok jest popychany w dół, system faktycznie wykonuje pracę na otoczeniu, co zgodnie z konwencją jest wartością ujemną.

Dlatego praca jest definiowana jako ujemne ciśnienie, P, razy delta-V lub zmiana objętości końcowej i początkowej, która nastąpiła podczas rozszerzania. 

Jednostka pracy ciśnieniowo-objętościowej jest zwykle definiowana jako litr atmosfery. Jednostkę tę można przeliczyć na konwencjonalną jednostkę energii, dżule, przy użyciu współczynnika konwersji jeden litr atmosfery jest równy 101,3 dżuli.

• Pressure-Volume Work - An energy transaction where a system impacts the surroundings by resisting pressure or being compressed by it.
• Internal Energy - The energy change that takes place during a system's transformation.
• External Pressure - The opposing force a system works against while changing volume.
• Expansion Work - The process where energy is utilised to amplify the gases in a cylinder, for example in an internal combustion engine.
• Work Calculation in Chemistry - The action where pressure and volume changes are quantified to determine energy transfer.

• Define Pressure-Volume Work – Explaining the energy transfer when a system resists pressure or compresses (e.g., pressure volume work equation).
• Contrast Internal and External Energy – Enumerate the differences between internal and external energy (e.g., the role of the surroundings).
• Explore Expansion Work – Discuss how energy fuels the magnifying of gases in a cylinder (e.g., combustion in internal combustion engines).
• Explain Pressure Changes – Understanding the impacts of pressure changes on work, volume and energy.
• Apply Work Calculation in Chemistry – Learning to calculate work from changes in pressure and volume in chemistry.

• What is pressure-volume work and how does it impact the surroundings?
• How does expansion work contribute to the operation of internal combustion engines?
• How are changes in pressure and volume calculated for work in chemistry?

• Engineering Students – Understand how pressure volume work plays a fundamental role in different engineering fields.
• Chemistry Teachers – Provides a clear explanation of work calculation in thermodynamics, useful for teaching the subject.
• Science Researchers – Useful in exploring new ways to optimize energy use in systems with changing pressure.
• Automobile Enthusiasts – Offers insights on the operation of internal combustion engines, fostering deeper understanding.