Energie, Lucrul si Caldura

1. Energia si Lucrul

Termodinamica se ocupa de energie in formele ei diferite de manifestare precum si conversia acesteia dintr-o forma in alta. Energia se manifesta in forme diferite: energie cinetice, energie potentiala, caldura, energia chimica, etc.

Energia cinetica este energia miscarii si poate fi scrisa ca,

        (1)

unde m, este masa obiectului in miscare si v este viteza sa.

Energia potentiala poate lua forme diferite in functie de sistemul fizic de referinta. De exemplu,

  - gravitatea locala,

  - legea lui Hook,

  - legea lui Coulomb,

  - gravitatea la scara generalizata, etc.

Energiile cinetica si potentiala sunt interschimbabile si pot fi ambele transformate in lucru. Termodinamica nu ne furnizeaza expresiile pentru energia cinetica, energia potentiala sau lucru, toate aceste sunt oferite de fizica.

Lucrul mecanic este definit de fizica drept produsul fortei si al distantei pe care aceasta actioneaza,

        (2)

Lucrul pentru o miscare limitata este obtinut prin integrarea ecuatiei (2):

       (3)

unde f(x) ia in considerare posibilitatea forta sa se poata modifica la miscarea pe distanta dintre x₁ la x₂.

Lucrul poate duce la cresterea energiei cinetice sau potentiale ale unui sistem.

2. Caldura

Unul dintre cele mai mari obstacole depasite din calea stiintei a fost recunoasterea ca si caldura este o forma a energiei. Deoarece s-a dovedit existenta unui "flux" de caldura de la un corp mai cald catre unul mai rece o fost imaginata initial ca un fluid definit drept phlogiston. Cand s-a aratat experimental ca produsul rezultat in urma unei arderi cantareste mai mult decat substanta arsa iar procesul duce la eliberare de caldura a trebuit sa i se atribuie o masa negativa phlogiston -onului.

Benjamine Thompson, cunoscut de asemenea drept Contele Rumford al intregului Imperiu Roman (1753-1814) a descoperit natura adevarata a caldurii ca o forma de energie care opereaza ca o fabrica pentru teava tunurilor. Atunci cand ghiulelele strabat teava tunului aceasta se incalzeste. Thomson a fost cel care a spus ca singura explicatie care poate fi data este cea ca munca depusa in deplasarea ghiulelei prin teava tunului s-a transformat in caldura. El chiar a incercat sa determine "echivalentul mecanic al caldurii". Ulterior Joule a imbunatatit masuratorile apropiindu-se mult de valoarea actuala de 4.184 J = 1 cal (in unitati moderne).

Concluzia a fost ca o forma de energie este reprezentata de caldura, concluzie revolutionara in acele timpuri, dar nesurprinzatoare pentru timpurile actuale.

Lucrul, energia cinetica si energia potentiala pot fi convertite in caldura fara nici o restrictie, in schimb caldura poate fi convertita in lucru, energie cinetica sau energie potentiala dar cu anumite restrictii despre care vom vorbi ulterior.

3. Definitii si conventii

Putem defini un sistem drept un obiect sau mostra care intra in sfera noastra de interes. Tot ce este in afara acestuia il reprezinta vecinatati. Din punct de vedere termodinamic putem afirma:

sistem + vecinatati = universul.

(suna putin arogant dar reprezinta o simplificare folositoare!)

Definim w drept lucrul depusa asupra unui sistem iar q este caldura absorbita de catre sistem. Aceasta inseamna ca w si q sunt cantitati algebrice. Ele pot fi atat pozitive cat si negative iar semnul lor ne ajuta sa intelegem in ce directie se scurge energia. De exemplu, daca w este pozitiv inseamna ca lucrul depus asupra sistemului determina cresterea energiei acestuia, asemanator daca q are o valoare negativa inseamna ca sistemul pierde caldura spre vecinatati. (In manualele mai vechi se definea w drept lucrul depusa asupra vecinatatilor, existand chiar un anumit motiv pentru aceasta interpretare: este mai usor uneori sa calculezi lucrul asupra vecinatatilor decat sa calculezi lucrul depus asupra sistemului. Cu toate acestea in cartile moderne se utilizeaza conventia prezentata mai sus, adica w reprezinta lucrul depus asupra sistemului.)

Vom defini lucrul w' drept lucrul depus asupra vecinatatilor. Evident,

w' = − w.

Putem defini acu, o cantitate denumita energie interna, U. Chiar denumirea acestei variabile, U, ne arata semnificatia ei, aceasta fiind energia totala pe care o are sistemul.

Termodinamica nu tine cont daca e vorba de atomi sau molecule. Tot ce vom face in termodinamica poate fi facut fara sa tinem cont de natura crepusculara a materiei. Totusi pentru a calibra corect intuitia noastra ar trebui mentionat ca energia totala este reprezentata de suma energiei cinetice si potentiale ale tuturor particulelor aflate in sistem. Vom defini astfel trei alte variabile termodinamice sau functii care au unitatile energetice, dar nici una dintre acestea nu va avea semnificatia lui U. Sa ne mai reamintim un lucru deosebit de important si anume faptul ca masurarea energiei depinde de unde facem acest lucru. De exemplu, energia potentiala a unei persoane intinse pe Pamant va fi zero fata de suprafata pamantului, relativ la gravitatea locala mgh, dar va fi diferita daca se alege alt reper gravitational, sa zicem luna-pamant.