Back to chapter

6.5:

כימות עבודה

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

Languages

Share

ניזכר שהאנרגיה ההתחלתית של המערכת מוגדרת לפי סכום החום והעבודה. חום נמדד בעזרת קלורימטריה, אבל איך מכמתים עבודה? עבודה היא תוצאה של כוח המופעל על עצם מסוים, כגון משיכה, דחיפה או הרמה, לאורך מרחק.לכן עבודה שווה לכוח כפול מרחק. אם אלת גולף מכה בכדור למרחק של 100 רגל, היא ביצעה עבודה. אנרגיה מועברת מהאלה אל הכדור.במקרה הזה, הכדור הוא המערכת עליה הסביבה ביצעה עבודה. בתגובות כימיות, עבודה יכולה להתבטא בשינויים פיזקליים או כימיים מרובים במערכת. סוג שכיח של עבודה הוא עבודה של לחץ-נפח.חשבו על בערה בתוך צילינדר של מנוע. לא רק שהבערה מייצרת חום, היא גם יוצרת גז, שמבצע עבודה. כשנפח הגז בצילינדר מתרחב, הלחץ דוחף את הבוכנה למטה ופועל כנגד כוחות חיצוניים בסביבה.לחץ מוגדר ככוח הפועל על פני שטח. כאן, הכוח מהגזים המתרחבים מחולק על פני אזור של בסיס הבוכנה. במילים אחרות, הכוח הוא לחץ כפול שטח.לכן, עבודה, שהיא הכוח כפול מרחק, יכולה להיכתב מחדש כלחץ כפול השטח והמרחק שבו הוא פועל. בצילינדר של המנוע, זה גובה המרחק שהבוכנה עוברת. בהתחשב בכך שהשטח כפול גובה הוא נפח הצילינדר, המשוואה שמתארת את העבודה יכולה להיות מוגדרת כלחץ כפול שינוי הנפח במערכת.יחד עם זאת, מכיוון שהנפח גדל והבוכנה נדחפת למטה, המערכת למעשה מבצעת עבודה על סביבתה, שלפי המוסכמה היא בעלת ערך שלילי. לכן, העבודה מוגדרת כערך השלילי של הלחץ P כפול הדלתא של הנפח V או השינוי בין הנפח ההתחלתי לסופי, שמתרחש תוך כדי ההתרחבות. יחידת העבדות לחץ נפח מוגדרת בדרך כלל כליטר אטמוספריה.יחידה זו יכולה להיות מומרת ליחידה המוסכמת של אנרגיה, ג’ולים, על ידי שימוש ביחס ההמרה של 1 ליטר אטמוספרה שווה ל-101.3 ג’ולים.

6.5:

כימות עבודה

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.