Was bedeutet Arbeit in der Thermodynamik im Vergleich zu anderen Bereichen der Physik?

Als ich Mechanik gelernt habe, sagte mein Lehrer, dass Arbeit in erster Linie eine Energieveränderung ist ($W= \Delta E$), und Sie können die geleistete Arbeit mithilfe der Gleichung ermitteln$W = Fcos( \theta)d$.

Das ist richtig. Dies ist das Mittel der Energieübertragung, das allgemein in der Newtonschen Mechanik betrachtet wird. Aber eigentlich gibt es zwei Arten der Energieübertragung: Arbeit und Wärme. Beide werden in der Thermodynamik behandelt. Wärme ist eine Energieübertragung, die ausschließlich auf eine Temperaturdifferenz zurückzuführen ist.

Außerdem scheint es, als ob der erste Hauptsatz der Thermodynamik,$\Delta U = Q + W$, ist ein direkter Widerspruch zum ersten Prinzip, weil man keine Arbeit erledigen lassen kann ($W=0$) und haben immer noch eine Änderung der inneren Energie (über Wärme (Q)).

Es gibt keinen Widerspruch. Das liegt daran, dass in der Thermodynamik die innere Energie$U$von etwas ist die Summe der kinetischen und potentiellen Energien einer Substanz auf mikroskopischer Ebene. Diese Energieform wird normalerweise nicht in der Mechanik behandelt. Es befasst sich mit den kinetischen und potentiellen Energien von Objekten als Ganzes, dh auf makroskopischer Ebene.

Beispielsweise ist bei isometrischen Prozessen geleistete Arbeit immer 0, da Arbeit definiert ist als$W=-P \Delta V$und Volumenänderung ist 0; Die innere Energie kann sich jedoch bei isometrischen Prozessen durch Wärmeverlust oder -gewinn ändern. Wäre es nicht richtig zu sagen, dass an dieser Stelle Arbeit geleistet wurde, weil sich die Energie des Systems (über Wärme) verändert hat?

Die internen mikroskopischen kinetischen und/oder potentiellen Energien können durch Energieübertragung durch Arbeit und/oder Wärme erhöht oder verringert werden. Die Temperatur eines Stoffes ist ein Maß für die kinetischen Energien der Moleküle und Atome eines Stoffes. Die Temperatur kann durch Wärmeübertragung oder Arbeitsübertragung geändert werden. Beispielsweise kann man die Temperatur eines Gases erhöhen, indem man am Gas Arbeit verrichtet, also komprimiert. Der exakt gleiche Temperaturanstieg kann durch Wärmeübertragung verursacht werden, dh indem das Gas etwas mit einer höheren Temperatur ausgesetzt wird. Das Endergebnis (Erhöhung der Temperatur) ist das gleiche, eines aufgrund von Arbeit, das andere aufgrund von Wärme.

Es scheint, dass ich etwas falsch definiert habe, also ist meine Frage, was ist es? Bezieht sich Arbeit irgendwie nicht auf thermische Energie/Wärme, oder bedeutet innere Energie mehr als nur Energie? Oder ist es nur eine Konvention in der Thermodynamik, „Arbeit“ zu verwenden, um sich speziell darauf zu beziehen$W = -P > \Delta V$, und NICHT die Energie im Allgemeinen zu ändern (wie es die Wärmeenergieübertragung ausschließt)?

Ich habe Probleme, dem zu folgen. Aber in der Thermodynamik geht es darum, dass die innere Energie (mikroskopische kinetische und potentielle Energie der Moleküle und Atome) durch Arbeit und/oder Wärme verändert werden kann, und aus diesem Grund sind sowohl Arbeit als auch Wärme im ersten Hauptsatz enthalten.

In der Mechanik kann sich die kinetische Energie eines Körpers als Ganzes im Allgemeinen nur durch Arbeit ändern. Nehmen wir einen Baseball. Ich kann ihm kinetische Energie geben, indem ich daran arbeite, dh indem ich es werfe. Aber wenn der Ball auf einem Tisch sitzt und ich ihn erhitzt habe, wird er als Ganzes keine Geschwindigkeit (kinetische Energie) annehmen. Aber die Hitze wird die Geschwindigkeiten der Atome und Moleküle der Kugel erhöhen, was zu einer Temperaturerhöhung führt. Seine innere Energie steigt.

Danke, Ihre Antwort hat mir bei diesen Konzepten sehr geholfen. Ist es zur Klarstellung richtig zu sagen: 1. Arbeit kann auf ALLEN Ebenen als W = Fd (oder ähnlich) definiert werden.

Es ist im Wesentlichen richtig zu sagen, dass Arbeit auf allen Ebenen als Kraft mal Weg definiert werden kann, obwohl dieses Produkt verschiedene Formen annehmen kann. Bei der Grenzarbeit (der Arbeit, die beim Ausdehnen oder Zusammenziehen der Grenzen eines geschlossenen Systems geleistet wird) ersetzen Druck mal Volumen Kraft mal Weg. Im Fall von Wellenarbeit für ein offenes System (z. B. von Turbinen geleistete Arbeit) ersetzt Drehmoment mal Winkelverschiebung Kraft mal Verschiebung. Aber selbst diese Variationen laufen immer noch auf eine erzwungene Verschiebung hinaus, wenn entsprechende Substitutionen vorgenommen werden.

2. Nur in der Mechanik kann Arbeit auch als W = Energieänderung definiert werden, und dies gilt ausschließlich für die Mechanik, weil in der Mechanik

Arbeit ist die Übertragung von Energie. Die Folgen der Übertragung können eine Abnahme oder Zunahme der Energie sein, die das Objekt besitzt, zwischen dem die Energie übertragen wird.

Als dein Lehrer sagte

$$W=\Delta E$$ er / sie hat sich möglicherweise auf den Arbeitsenergiesatz bezogen, der besagt, dass die an einem Objekt geleistete Netzwerkarbeit seiner Änderung der kinetischen Energie entspricht. Der Schlüsselbegriff ist Netzwerkarbeit , weil Arbeit positiv oder negativ sein kann. Die Arbeit ist positiv, wenn die Kraft in die gleiche Richtung wie die Verschiebung wirkt ($θ=0$) und negativ, wenn die Kraft der Verschiebungsrichtung ($θ=180^0$). Die "Änderung der kinetischen Energie" bezieht sich auf die kinetische Energie des Objekts als Ganzes, dh seine makroskopische kinetische Energie und nicht auf die interne mikroskopische interne Energie des ersten Hauptsatzes, obwohl es eine subtile Verbindung gibt, wie unten diskutiert.

Arbeit ist der einzige Faktor, der Energie verändert, während in anderen Dingen wie Thermo Energie durch andere Faktoren als Arbeit verändert werden kann, zB Wärme

Arbeit ist der einzige Faktor, der die makroskopische kinetische oder potentielle Energie von Objekten als Ganzes verändern kann, während sowohl Arbeit als auch Wärme die interne mikroskopische kinetische und/oder potentielle Energie eines Objekts verändern können.

Hoffe das hilft

Arbeit im Sinne der Mechanik befasst sich nur mit der Änderung der kinetischen Energie; insbesondere kinetische Translationsenergie des Massenzentrums und Rotationsenergie um das Massenzentrum. Es befasst sich nicht mit Änderungen der inneren Energie und berücksichtigt nicht die Energieübertragung durch Wärme.

Arbeit im Sinne der Thermodynamik ist ein viel breiteres Konzept und ist "Energie, die eine Systemgrenze ohne Massentransfer aufgrund eines anderen intensiven Eigenschaftsunterschieds als der Temperatur zwischen dem System und seiner Umgebung überschreitet". Diese Arbeit kann die innere Energie verändern. Der erste Hauptsatz der Thermodynamik berücksichtigt Arbeit und Wärme- und Stoffübertragung in einer Gesamtenergiebilanz für ein System.

Die Verwirrung besteht darin, dass der gleiche Name "Arbeit" verwendet wird, um zwei verschiedene Konzepte zu bezeichnen.

Um diese Verwirrung zu beseitigen, haben einige vorgeschlagen, die Arbeit, wie sie in der Mechanik definiert ist, "Pseudoarbeit" zu nennen und Arbeit zu verwenden, um sich nur auf das thermodynamische Konzept zu beziehen. Siehe DOI:10.1119/1.13173Corpus-ID: 123663518 Pseudoarbeit und echte Arbeit B. Sherwood Veröffentlicht 1983 Physik American Journal of Physics