Arbeid (thermodynamica)

Het begrip arbeid (of werk) heeft in de thermodynamica een aanzienlijke ontwikkeling ondergaan.

De oorspronkelijke definitie van arbeid is het vectorproduct van een kracht F en een weglengte s, waarover de kracht wordt uitgeoefend. Men kan daarbij denken aan de druk van de buitenlucht die een kracht uitoefent op de piston van een zuiger en de beweging die de zuiger maakt. Deze vorm van arbeid wordt volumearbeid genoemd

Een van de eerste realisaties in de ontwikkeling van de thermodynamica was dat warmte en arbeid beide vormen van energie zijn en dat energie een behouden grootheid is:

U = q + w

Gebruikmakend van de begrippen volume arbeid (PV), entropie (S) en temperatuur (T) kan een verandering in energie geschreven worden als:

dU = TdS - PdV

Later ging men beseffen dat er vele andere vormen van energie bestaan, zoals chemische energie, magnetische energie, kinetische energie, elastische energie, oppervlakte energie enz. Deze vormen van energie zijn in zekere zin allemaal vormen van 'arbeid' en geen warmte. De bovenstaande formule kan uitgebreid worden met extra termen om deze andere vormen van werk in te sluiten in het thermodynamisch formulisme:

dU = TdS -PdV + xdX + ....

Voor elektrische energie bijvoorbeeld is x = e (een hoeveelheid lading) en X= E (een elektrische spanning).

Voor een overgang van warmte naar een vorm van arbeid gelden de beperkingen van de Tweede Hoofdwet, waardoor altijd maar een deel van de warmte in arbeid wordt omgezet en de rest als afvalwarmte weggegooid moet worden. Voor een overgang van de ene vorm van arbeid in de andere gelden die beperkingen niet. Het is thermodynamisch gesproken in principe mogelijk om dat met 100% efficiëntie te doen, hoewel er in de praktijk meestal wel wat verliezen (naar warmte) plaatsvinden. Dit is meteen de reden waarom deze verdere energie termen allemaal als 'arbeid' gerekend worden.