Arbeid (thermodynamica)

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Ga naar: navigatie, zoeken
Verbrandingsgassen verrichten arbeid in een motor

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

De oorspronkelijke definitie van arbeid W is het vectorproduct van een kracht F en een weglengte s, waarover de kracht wordt uitgeoefend. Een voorbeeld is de druk p van verbrandingsgassen die een kracht uitoefent op de zuiger en de beweging die de zuiger maakt. Deze vorm van arbeid heet volumearbeid.

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

U = Q + W

Gebruikmakend van de begrippen volumearbeid (pV), entropie (S) en absolute temperatuur (T) kan een verandering in energie geschreven worden als:

dU = TdS - pdV

waarin de d een differentiaal beduidt. Later ging men beseffen dat er vele andere vormen van energie bestaan, zoals chemische energie, elektrische 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 arbeid in te sluiten in het thermodynamisch formulisme:

dU = TdS - pdV + xdX + ....

Voor elektrische energie bijvoorbeeld is x = q (elektrische lading) en X = V (de 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 afgevoerd moet worden door een vorm van koeling. 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% rendement te doen, hoewel er in de praktijk meestal wel wat verliezen (naar warmte) plaatsvinden. Dit is meteen de reden waarom deze verdere energietermen allemaal als 'arbeid' gerekend worden.