Back to chapter

6.5:

Kwantificeren van Arbeid

JoVE Core
Chemistry
This content is Free Access.
JoVE Core Chemistry
Quantifying Work

Languages

Share

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.

6.5:

Kwantificeren van Arbeid

As a system undergoes a change, its internal energy can change, and energy can be transferred from the system to the surroundings, or from the surroundings to the system. 

Energy transfer occurs through heat and work. The relationship between internal energy, heat, and work is represented by the equation:

Eq1

While heat is a function of an observed temperature change, work is a function of an observed volume change called the pressure-volume work. Work (w) can be defined as a force (F) acting through a distance (D).

Eq1

Pressure-volume work (or expansion work) occurs when a system pushes back the surroundings against a restraining pressure, or when the surroundings compress the system. An example of this occurs during the operation of an internal combustion engine. The combustion reaction of gasoline and oxygen is exothermic. Some of this energy is given off as heat, and some is performed as work by expanding the gases in the cylinder, thereby pushing the piston outward. The substances involved in the reaction are the system, and the engine and the rest of the universe are the surroundings. The system loses energy by both heating and doing work on the surroundings, and its internal energy decreases.

When the volume of a cylinder increases (i.e., the gas expands), it pushes against an external force, which is the pressure defined as force per unit area.

Eq1

From equations 2 and 3:

Eq1

The product of area and distance (A × D) is equal to the change in the volume (ΔV) of the gas in the cylinder.

Therefore,

Eq1

Since the volume increases during expansion, Vfinal > Vinitial, and ΔV is positive. However, for a positive expansion (i.e., when the system does work on the surroundings), w should be negative, and therefore, a negative sign is added to the equation. 

Eq1

According to this equation, pressure-volume work is the negative of the external pressure (or opposing pressure) multiplied by the change in volume. 

The unit of work based on this equation is L·atm. Some other useful conversions factors are: 

Eq1

Eq1

This text is adapted from Openstax, Chemistry 2e, Section 5.3: Enthalpy.

Suggested Reading

  1. Schmidt-Rohr, Klaus. "Expansion work without the external pressure and thermodynamics in terms of quasistatic irreversible processes." Journal of Chemical Education 91, no. 3 (2014): 402-409.
  2. Gislason, Eric A., and Norman C. Craig. "General definitions of work and heat in thermodynamic processes." Journal of Chemical Education 64, no. 8 (1987): 660.
  3. O'Loane, J. Kenneth. "Adiabatic changes: Reversible and irreversible changes involving only pressure-volume work." Journal of Chemical Education 30, no. 4 (1953): 190.