Trykvolumen (PV) arbejde

for at beskrive dette trykvolumenarbejde (PV-arbejde) vil vi bruge sådanne imaginære underlige ting som friktionsløse stempler, som ikke involverer nogen modstandskomponent, og ideelle gasser, som ikke har nogen attraktive eller frastødende interaktioner. Forestil dig for eksempel en ideel gas, begrænset af et friktionsløst stempel, med internt tryk Pint og indledende volumen Vi (figur \(\Sideindeks{2}\)). Hvis \(P_ {ekst} = P_{int}\), er systemet i ligevægt; stemplet bevæger sig ikke, Og der udføres ikke noget arbejde. Hvis det ydre tryk på stemplet er mindre end Pint, vil den ideelle gas inde i stemplet imidlertid udvide sig og tvinge stemplet til at udføre arbejde på dets omgivelser; det vil sige det endelige volumen (Vf) vil være større end \(V_i\). Hvis \(P_ {ekst} > P_{int}\), komprimeres gassen, og omgivelserne udfører arbejde på systemet.

hvis stemplet har tværsnitsareal \(A\), er det ydre tryk, der udøves af stemplet, per definition kraften pr. arealenhed:

\

volumenet af ethvert tredimensionelt objekt med parallelle sider (såsom en cylinder) er tværsnitsarealet gange højden (V = Ah). Vi kan beregne størrelsen af det arbejde, der udføres af stemplet, ved at erstatte i ligning 7.4.1:

\

ændringen i cylinderens volumen (LARVV), når stemplet bevæger sig en afstand d er LARVV = a Larv, som vist i figur \(\Sideindeks{3}\). Det udførte arbejde er således

\

arbejdsenhederne opnået ved hjælp af denne definition er korrekte for energi: tryk er kraft pr.arealenhed (ny/m2) og volumen har enheder af kubikmeter, så

\

Hvis vi bruger atmosfærer til P og liter til V, får vi enheder af L·atm til arbejde. Disse enheder svarer til energienheder, som vist i de forskellige værdier af den ideelle gaskonstant R:

\

således 0,08206 L·atm = 8,314 J og 1 L·atm = 101,3 J.

om arbejde er defineret som at have et positivt tegn eller et negativt tegn er et spørgsmål om konvention. Varmestrøm defineres fra et system til dets omgivelser som negativ; ved hjælp af den samme tegnkonvention definerer vi arbejde udført af et system på dets omgivelser som et negativt tegn, fordi det resulterer i en overførsel af energi fra et system til dets omgivelser. Dette er en vilkårlig konvention og en, der ikke anvendes universelt. Nogle ingeniørdiscipliner er mere interesserede i det arbejde, der udføres på omgivelserne end i det arbejde, der udføres af systemet, og bruger derfor den modsatte konvention. Fordi KRISHV > 0 for en udvidelse skal ligning 7.4.4 skrives med et negativt tegn for at beskrive PV-arbejde udført af systemet som negativt:

\

arbejdet udført af en gas, der ekspanderer mod et eksternt tryk, er derfor negativt, svarende til arbejde udført af et system på dets omgivelser. Omvendt, når en gas komprimeres af et eksternt tryk, er KRITV < 0, og arbejdet er positivt, fordi der arbejdes på et system af dets omgivelser.

Antag for eksempel, at det undersøgte system er en masse damp opvarmet ved forbrænding af flere hundrede pund kul og indesluttet i et cylinderhus et stempel fastgjort til krumtapakslen i en stor dampmaskine. Gassen er ikke ideel, og cylinderen er ikke friktionsløs. Ikke desto mindre, når damp kommer ind i motorkammeret, og den ekspanderende gas skubber mod stemplet, bevæger stemplet sig, så nyttigt arbejde udføres. Faktisk lancerede PV-arbejde den industrielle Revolution i det 19.århundrede og driver den forbrændingsmotor, som de fleste af os stadig er afhængige af transport.

i modsætning til intern energi er arbejde ikke en tilstandsfunktion. Vi kan se dette ved at undersøge figur \(\Sideindeks{4}\), Hvor to forskellige totrinsveje tager et gasformigt system fra en indledende tilstand til en endelig tilstand med tilsvarende temperaturændringer. I vej A øges volumenet af en gas oprindeligt, mens dens tryk forbliver konstant (trin 1); Derefter reduceres dets tryk, mens volumenet forbliver konstant (trin 2). I vej B vendes rækkefølgen af trinnene. Temperaturerne, trykket og mængderne af de indledende og endelige tilstande er identiske i begge tilfælde, men mængden af udført arbejde, angivet af de skraverede områder i figuren, er væsentligt anderledes. Som vi kan se, afhænger mængden af udført arbejde af stien taget fra (\(V_1\), \(P_1\)) til (\(V_2\), \(P_2\)), hvilket betyder, at arbejde ikke er en tilstandsfunktion.