Kwantyfikacja pracy

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.