Warum wird Elektroheizung als Arbeitsinteraktion betrachtet?

Wenn das Heizelement Teil Ihres Systems ist, dann verrichtet die elektrische Einrichtung, die Ihr System mit elektrischer Energie versorgt, Arbeit an Ihrem System. Wenn Sie das Heizelement als Teil der Umgebung einbeziehen, wird von diesem Teil der Umgebung Wärme an Ihr System übertragen. Es hängt also alles davon ab, ob Sie das Heizelement als Teil des Systems oder als Teil der Umgebung einbeziehen. In dem Beispiel Ihres Buches wird das Heizelement als Teil des Systems behandelt.

Ich denke, Sie haben festgestellt, dass die Frage, was genau als Arbeit in der Thermodynamik qualifiziert ist? lässt sich nicht so einfach in einem Satz beantworten. Ein Weg nach vorn besteht vielleicht darin, zunächst die Terme im ersten Hauptsatz der Thermodynamik für ein System zu betrachten, dessen Zusammensetzung sich nicht ändert, und Arbeit als einen Prozess zu betrachten, der mit Energieübertragung zu tun hat.

Es gibt einen inneren Energieterm und dann einen Wärmeübertragungsterm, bei dem es sich um Energie handelt, die aufgrund eines Temperaturunterschieds zwischen einem System und seiner Umgebung übertragen wird, was wichtig ist, dass es sich um einen Einwegprozess handelt, da die Übertragung immer von der höheren Temperatur zur niedrigeren erfolgt Temperatur.
In Ihrem Diagramm wäre dies das Wasser (Umgebung), bei dem Wärme vom Tank (System) auf das Wasser übertragen wird.

Sie sehen sich jetzt die anderen Möglichkeiten der Energieübertragung in das und aus dem System an und nennen das Arbeit, und hier wird es schwierig, aber nicht für alle Beispiele.
Am einfachsten ist vielleicht die Volumenänderung eines Systems durch die Anwendung äußerer Kräfte, wenn mechanische Arbeit verrichtet wird.
Nicht so offensichtlich ist, wie man die Wirkung der elektrischen Heizung einordnet und dazu muss man entscheiden, ob die Heizung Teil des Systems oder der Umgebung ist.
Wenn die elektrische Heizung Teil der Umgebung ist, erfolgt die Übertragung zwischen der Heizung und dem System über Wärme, aber dies macht Berechnungen schwierig.
Wenn die Heizung Teil des Systems ist, würde die Übertragung an das System als Arbeit gemäß der Definition des fallenden Gewichts gekennzeichnet, wobei das fallende Gewicht Arbeit verrichtet und einen Generator dreht, der "Elektrizität" erzeugt, was wiederum die innere Energie des Systems erhöht.

Ich weiß, dass ich Ihnen nicht gesagt habe, welche der "Ein-Satz"-Definitionen von Arbeit ich bevorzuge, aber ich schlage vor, dass Sie andere Beispiele berücksichtigen, z. B. die Temperatur des Wassers in einem Wasserfall, Infrarotstrahlung, die mit einem System interagiert usw Sie können die Wärmeübertragung ausschließen und dann, wie sie als Arbeit angesehen werden könnte, über die Definition des fallenden Gewichts oder die Definition der Energieverteilung, die Sie in Ihrem Beitrag oder erwähnt haben. . . . .

Wie Farcher und Chet Miller erklären, wenn die Heizung Teil des Systems ist, führen wir (elektrische) Arbeiten an der Heizung durch und liefern daher Arbeit an das System. Wir liefern diese Energie auch dann, wenn das System perfekt wärmegedämmt ist und keine Wärme aufnehmen kann.

In diesem Fall ist die Unterscheidung zwischen Wärme und Arbeit jedoch ziemlich legalistisch. Dies liegt daran, dass die von uns gelieferte Arbeit vollständig irreversibel ist , im Gegensatz zu der vollständig reversiblen Arbeit, die wir am System ausführen würden, indem wir langsam einen reibungsfreien Kolben hineindrücken. Es ist reversible Arbeit, die "eine gleichmäßige Änderung der Energien aller Teilchen eines Systems um den gleichen Betrag beinhaltet, ohne die Form der Energieverteilung der Teilchen im System zu ändern". Aber mit vollständig irreversibler Arbeit könnten Sie genauso gut Wärme liefern – Sie ändern die Energieverteilung zwischen den verschiedenen Energieniveaus des Systems, anstatt die Energieniveaus selbst zu ändern. Und die Heizung könnte genauso gut außerhalb des Systems sein und dem System Wärme zuführen$^*$wie innerhalb des Systems mit (elektrischer) Arbeit, die ihm von außen zugeführt wird!

$^*$die zur strengen Vergleichbarkeit jetzt auch eine nicht angeschlossene Elektroheizung beinhalten müsste

Warum wird also die Erwärmung eines Systems durch den Einsatz eines elektrischen Heizelements als Arbeitswechselwirkung und nicht als Wärmeübertragung betrachtet?

Sie müssen zwischen der Energieübertragung zwischen dem elektrischen Strom und einem Material, das die Temperatur des Materials erhöht (Arbeitsübertragung), und der Energieübertragung zwischen dem Material, dessen Temperatur durch den Strom erhöht wird, zu seiner Umgebung mit niedrigerer Temperatur (Wärmeübertragung) unterscheiden.

Wärme wird als Energieübertragung definiert, die ausschließlich auf Temperaturunterschiede zurückzuführen ist. Die Erhöhung der Temperatur eines Materials durch elektrischen Strom beruht nicht auf einer Temperaturdifferenz zwischen dem Strom und der Temperatur des Materials. Auf mikroskopischer Ebene ist es die Übertragung der organisierten kinetischen Energie (KE), die mit dem Elektronenfluss (Driftstrom) verbunden ist, auf die Moleküle des Materials durch Stöße.

Elektronen verlieren bei den Kollisionen abwechselnd kinetische Energie und gewinnen KE aus der vom elektrischen Feld geleisteten Arbeit zurück. Die Arbeit, die das elektrische Feld leistet, um den Driftstrom aufrechtzuerhalten, überträgt also tatsächlich Energie auf die Moleküle des Materials. Diese Kollisionen erhöhen wiederum den durchschnittlichen zufälligen KE der einzelnen Moleküle, was zu einer Erhöhung der Materialtemperatur führt. Die Erhöhung der Materialtemperatur über die Temperatur seiner Umgebung führt zu einer Energieübertragung an die Umgebung in Form von Wärme. So bezieht sich der Begriff Joulsche Erwärmung auf die Folgen elektrischer Arbeit. In ähnlicher Weise bezieht sich Reibungserwärmung auf die Folgen der Energieübertragung durch Reibungsarbeit, die auftritt, wenn man seine Hände aneinander reibt, wodurch die Temperatur der Haut erhöht wird.

Im Gegensatz dazu ist die Energieübertragung durch Wärmeleitung von einem Material höherer Temperatur (höherer durchschnittlicher zufälliger molekularer KE) zu einem Material niedrigerer Temperatur (niedrigerer durchschnittlicher zufälliger molekularer KE) auf Kollisionen zwischen der zufälligen (desorganisierten) Bewegung der Moleküle zurückzuführen Material mit höherer Temperatur und die zufällige Bewegung der Moleküle des Materials mit niedrigerer Temperatur.

Hoffe das hilft.