Travail (thermodynamique)

Thermodynamique
Le moteur thermique classique Carnot
Branches Classique ?? statistiques ?? Chimique Equilibrium / Non-??quilibre
Lois Zeroth ?? Premi??re ?? Deuxi??me ?? Troisi??me
Syst??mes ??tat: ??quation d'??tat Id??al gaz ?? Gaz r??el Phase de mati??re ?? ??quilibre Contr??le du volume ?? Instruments Processus: Isobarique ?? Isochore ?? Isothermal Adiabatique ?? Isentropique ?? Isenthalpique Quasistatique ?? Polytropic Libre dilatation R??versibilit?? ?? Irr??versibilit?? Endoreversibility Cycles: Les moteurs thermiques ?? Pompes ?? chaleur L'efficacit?? thermique
Propri??t??s syst??me diagrammes de propri??t?? Propri??t??s intensives et extensives Fonctions d'Etat: Temp??rature / entropie ( intro. ) ??? Pression / Volume ??? Potentiel chimique / Particule non. ??? (??? Variables conjugu??es) La qualit?? de vapeur Propri??t??s r??duits fonctions du processus: ?? Travail chaleur
Propri??t??s des mat??riaux Capacit?? thermique sp??cifique Compressibilit?? Dilatation thermique base de donn??es de propri??t??
??quations Le th??or??me de Carnot ?? Clausius th??or??me ?? Relation fondamentale ?? Loi des gaz parfaits ?? Relations de Maxwell ?? Relations r??ciproques Onsager ?? ??quations thermodynamiques de Bridgman Table des ??quations thermodynamiques
Potentiels L'??nergie gratuite ?? Entropie gratuit L'??nergie interne Enthalpie ??nergie libre ??nergie libre de Gibbs
Histoire et culture Philosophie: Entropie et l'heure ?? Entropie et de la vie Cliquet brownien Le d??mon de Maxwell la mort de chaleur paradoxe Le paradoxe de Loschmidt Synergetics Histoire: G??n??ral ?? Chaleur ?? Entropy ?? lois de gaz Mouvement perp??tuel Th??ories: Th??orie du calorique ?? Vis viva Th??orie de la chaleur ??quivalent m??canique de la chaleur La force motrice Publications: " Un exp??rimentale ... Enqu??te sur l'Heat " " Sur l'??quilibre des substances h??t??rog??nes " "R??flexions sur la Motive Power of Fire " ??ch??anciers de: Thermodynamique ?? Les moteurs thermiques Art: Surface thermodynamique de Maxwell ??ducation: Entropie dispersion d'??nergie
Les scientifiques Bernoulli ?? Carnot ?? Clapeyron ?? Clausius ?? von Helmholtz ?? Carath??odory ?? Pierre Duhem ?? Gibbs ?? Joule ?? Maxwell ?? von Mayer ?? Onsager ?? Rankine ?? Smeaton ?? Stahl ?? Thompson ?? Kelvin ?? Waterson

Dans la thermodynamique , le travail effectu?? par un syst??me est l' ??nergie transf??r??e par le syst??me ?? un autre qui est repr??sent?? par des changements dans les contraintes m??caniques g??n??ralis??es externes sur le syst??me. En tant que tel, le travail thermodynamique est une g??n??ralisation de la notion de travail m??canique en m??canique.

Les contraintes m??caniques g??n??ralis??es externes peuvent ??tre chimiques, ??lectromagn??tiques (y compris radiatif, comme dans la puissance du laser), gravitationnelle, ou la pression / volume ou d'autres contraintes m??caniques tout simplement, y compris momental, comme dans le transfert radiatif. Travail thermodynamique est d??fini pour ??tre mesurable de la seule connaissance de ces variables de contraintes macroscopiques externes. Ces variables macroscopiques se produisent toujours par paires conjugu??es, par exemple la pression et le volume, densit?? de flux magn??tique et l'aimantation, fraction molaire et le potentiel chimique. Dans le Syst??me de mesure SI, le travail est mesur??e en joules (symbole: J). La vitesse ?? laquelle le travail est effectu?? est pouvoir.

Histoire

1824

Travail, ce est ?? dire "poids soulev?? d'une hauteur", a ??t?? d??fini ?? l'origine en 1824 par Sadi Carnot dans ses c??l??bres R??flexions de papier sur la puissance motrice du feu. Plus pr??cis??ment, selon Carnot:

Nous utilisons ici la force motrice (de travail) pour exprimer l'effet utile qu'un moteur est capable de produire. Cet effet peut toujours ??tre compar??e ?? l'??l??vation d'un poids ?? une certaine hauteur. Il a, comme on le sait, ?? titre de mesure, le produit du coefficient de pond??ration multipli?? par la hauteur ?? laquelle il est soulev??.

1845

L'appareil de Joule pour mesurer la ??quivalent m??canique de la chaleur.

En 1845, le physicien anglais James Joule a ??crit un article sur l'??quivalent m??canique de la chaleur pour la r??union de l'Association britannique de Cambridge . Dans ce travail, il a rapport?? son exp??rience la plus connue, dans laquelle le travail lib??r?? par l'action d'un "poids tombant d'une hauteur" a ??t?? utilis?? pour transformer une roue ?? aubes dans un baril d'eau isol??.

Dans cette exp??rience, la friction et agitation de la roue ?? aubes sur l'??tendue d'eau caus??es chaleur devant ??tre g??n??r??e, qui, ?? son tour, augmente la temp??rature de l'eau. Tant le changement de temp??rature AT de l'eau et la hauteur de la chute des Dh mg de poids ont ??t?? enregistr??s. En utilisant ces valeurs, Joule a pu d??terminer la ??quivalent m??canique de la chaleur. Joule estim?? un ??quivalent m??canique de la chaleur pour ??tre 819 pi ??? lbf / Btu (4,41 J / cal). Les d??finitions modernes de la chaleur, le travail, la temp??rature et l'??nergie ont tout lien avec cette exp??rience.

Vue d'ensemble

La premi??re loi de la thermodynamique concerne les changements dans l'??nergie interne d'un syst??me thermodynamique ?? deux formes de transfert d'??nergie.

Le concept de travail thermodynamique est plus g??n??ral que celui du travail m??canique simple car il comprend d'autres types de transferts d'??nergie ainsi. Un fait extr??mement important de comprendre, ce est que le travail est strictement thermodynamique et enti??rement d??finie par ses variables m??caniques g??n??ralis??es externes. L'autre forme de transfert d'??nergie est la chaleur. De la chaleur est mesur??e par le changement de temp??rature d'une quantit?? connue de substance mat??rielle calorim??trique; il est de l'essence de chaleur qui ne est pas d??fini par les variables m??caniques g??n??ralis??es externes qui d??finissent le travail. Cette distinction entre le travail et la chaleur est l'essence cruciale de la thermodynamique .

Travail se r??f??re ?? des formes de transfert d'??nergie qui peuvent ??tre pris en compte en termes de changements dans les contraintes physiques macroscopiques externes sur le syst??me, par exemple l'??nergie qui va dans l'expansion du volume d'un syst??me contre une pression externe, en conduisant un piston-t??te hors d'un cylindre contre une force externe. Les travaux d'??lectricit?? n??cessaire pour d??placer une accusation contre un champ ??lectrique externe peut ??tre mesur??e.

Ceci est en contraste ?? la chaleur , qui est l'??nergie qui est port?? dans ou hors du syst??me sous forme de transferts thermiques dans les mouvements microscopiques de particules, ou par rayonnement thermique. Il ya seulement cinq formes de transfert de chaleur: conduction, rayonnement , diffusion, frottement, en vrac et de cisaillement viscosit??, et changement de phase. Convection de l'??nergie ne est pas, comme parfois ?? tort suppos??e (une relique de la la th??orie calorique de la chaleur), une forme de transfert de chaleur, parce convection est pas en soi un mouvement microscopique des particules microscopiques ou des photons, mais est un flux essentiel de la mati??re pond??rable avec son ??nergie interne. Parce que, selon la Principe z??ro de la thermodynamique, il n'y a qu'un seul type de chaleur, il est ??galement possible de d??finir une grandeur macroscopique conjugu?? ?? la temp??rature, ?? savoir l'entropie .

D??finition formelle

Selon la premi??re loi de la thermodynamique, toute augmentation nette de l'??nergie interne U d'un syst??me thermodynamique doit ??tre pleinement pris en compte, en termes de AQ de chaleur entrant dans le syst??me et l'Aw de travail effectu?? par le syst??me:

La lettre d indique une diff??rentielle exacte, exprime que l'??nergie interne U est une propri??t?? de l'??tat du syst??me; ils ne d??pendent que de l'??tat initial et l'??tat final, et non pas sur le chemin emprunt??. En revanche, le grec (la δ 's) de delta dans cette ??quation refl??te le fait que le transfert de chaleur et le transfert de travail ne sont pas des propri??t??s de l'??tat final du syst??me. ??tant donn?? que l'??tat initial et l'??tat final du syst??me, on ne peut dire ce que la variation totale de l'??nergie interne ??tait, pas combien de l'??nergie sous forme de chaleur sortit, et combien le travail. Cela peut se r??sumer en disant que la chaleur et le travail ne sont pas fonctions de l'??tat du syst??me.

Travail pression-volume

Travail pression-volume, (ou au travail pV) se produit lorsque le volume (V) d'une ??uvre des modifications du syst??me. PV est souvent mesur?? en unit??s de litres atmosph??res (non SI), o?? 1 L ?? atm = 101,325 J. Travaux PV un sujet important dans thermodynamique chimique.

travaux de pV est repr??sent?? par la suivante ??quation diff??rentielle :

o??:

• W = travail effectu?? sur le syst??me
• p = pression
• V = volume

L'??quation de travail ci-dessus est valable pour tout processus r??versible d'un syst??me ferm??.

La premi??re loi de la thermodynamique peut donc ??tre exprim??e comme

path dependence

Comme toutes les fonctions de travail, en g??n??ral PV travail est chemin-d??pendante et est donc un thermodynamique fonction de processus. Toutefois, dans le cas particulier d'une r??versible processus adiabatique, le travail ne d??pend pas sur le chemin. La premi??re loi de la thermodynamique affirme . Pour un processus adiabatique, et donc le travail accompli doit ??tre ??quivalent ?? un changement dans l'??nergie interne, qui est proportionnelle ?? la variation nette de la temp??rature. Depuis les travaux ne d??pend que de la variation de temp??rature, il ne est donc pas d??pendante de la voie sp??cifique prise.

Si le processus a pris un autre chemin que le chemin adiabatique, le travail serait diff??rent. Ce ne serait possible que si la chaleur coulait dans / sur le syst??me, ce est ?? dire, il ne serait pas adiabatique. Dans un syst??me donn??, il existe de nombreux chemins entre deux temp??ratures, et il existe de nombreux chemins qui sont adiabatique. Mais il n'y a qu'une seule voie adiabatique entre deux temp??ratures. ?? partir de certains temp??rature initiale, chaque chemin adiabatique conduirait ?? une temp??rature finale diff??rente. Mais entre deux temp??ratures donn??es, il ya seulement une fa??on pour ?? z??ro, mais il ya de nombreuses fa??ons pour qu'il soit diff??rent de z??ro.

En termes math??matiques, l'??cart est un diff??rentielle inexacte; Cependant dans le cas ind??pendante de chemin il peut ??tre d??montr?? ??tre un diff??rentielle exacte. Encore une fois ?? partir de la premi??re loi, . Notez que pour un processus r??versible, donc , Ce qui est exact. ??tant donn?? que le diff??rentiel de travail est exact, le travail peut ??tre calcul??e d'une mani??re ind??pendante du chemin.

Pour ??tre plus rigoureux, il doit ??tre ??crit DJW (avec une ligne passant par le d). En d'autres termes, ne est pas un DJW exact une forme. Le line-through est simplement un drapeau pour nous avertir il ya effectivement pas de fonction ( 0-forme) qui est le potentiel des DJW. Se il y avait, en effet, cette fonction , Nous devrions ??tre en mesure d'utiliser tout simplement Th??or??me de Stokes pour ??valuer cette fonction putative, le potentiel de DJW, au limite de la voie, qui est, les points initial et final, et donc le travail serait une fonction d'??tat. Cette impossibilit?? est coh??rent avec le fait qu'il n'a pas de sens de se r??f??rer aux travaux sur un point dans le diagramme pV; travail suppose un chemin.

??nergie libre et exergie

La quantit?? de travail utile qui peut ??tre extrait ?? partir d'un syst??me thermodynamique est d??termin??e par la seconde loi de la thermodynamique . Dans le cadre de nombreuses situations pratiques, ce qui peut ??tre repr??sent?? par la disponibilit?? thermodynamique, ou Exergy, fonction. Deux cas sont importantes: dans les syst??mes thermodynamiques o?? la temp??rature et le volume sont maintenus constants, la mesure de atteignable utile de travail est le Fonction ??nergie libre; et dans les syst??mes o?? la temp??rature et la pression sont maintenus constants, la mesure de atteignable utile de travail est l' ??nergie libre de Gibbs .