Термодинамическая работа

Под работой в термодинамике, в зависимости от контекста, понимают как действие обмена энергией между термодинамической системой и окружающей средой, не связанное с переносом вещества и/или теплообменом (работа как способ/форма передачи энергии, работа как форма обмена энергией, работа как особый вид энергии в процессе перехода (энергия в пути), то есть как функционал процесса, «не существующий» до процесса, после процесса и вне процесса, но воображаемый), так и количественную меру этого действия, то есть величину передаваемой энергии. Общая черта всех видов термодинамической работы — изменение энергии объектов, состоящих из очень большого числа частиц, под действием каких-либо сил: поднятие тел в поле тяготения, переход некоторого количества электричества под действием разности электрических потенциалов, расширение газа, находящегося под давлением, и другие. Работа в различных ситуациях может быть качественно своеобразна, но любой вид работы всегда может быть полностью преобразован в работу поднятия груза и количественно учтён в этой форме.

Исходное понятие работы термодинамика заимствует из механики. Механическая работа определяется как скалярное произведение вектора силы на вектор перемещения точки приложения силы:

δA = (overrightarrow Foverrightarrow dr),

где overrightarrow F — сила, а overrightarrow dr — элементарное (бесконечно малое) перемещение.

Современная термодинамика, следуя Клаузиусу, вводит понятие обратимой или термодинамической работы.

В случае простой термодинамической системы (простого тела) термодинамической работой называется работа сжимаемого тела в зависимости от абсолютного давления (p) и изменения объёма (dV):

δA = pdV,

или, в интегральной форме:

A_(1,2) = ∫₁²pdV = P_m(V₂-V₁).

Интегральное определение удельной термодинамической работы изменения объёма возможно лишь при наличии уравнения процесса в форме уравнения связи давления и удельного объёма рабочего тела.

В общем определении термодинамической работы любых тел и систем тел используется термин обобщённой силы F_i как множителя пропорциональности между величинами элементарной работы δA_i и обобщённого перемещения (обобщённой деформации, обобщённой координаты) dx_i, где i = 1,2,...n,~n — число степеней свободы:

δA = ∑_(i = 1)ⁿF_idx_i.

Величина работы зависит от пути, по которому термодинамическая система переходит из состояния 1 в состояние 2, и не является функцией состояния системы. Это легко доказать, если учесть, что геометрический смысл определённого интеграла — площадь под графиком кривой. Так как работа определяется через интеграл, то в зависимости от пути процесса площадь под кривой, а значит, и работа, будет различна. Такие величины называют функциями процесса.

Несмотря на то, что до сих пор и в физической химии используется обозначение работы A, в соответствии с рекомендациями ИЮПАК работу в химической термодинамике следует обозначать как W , а в технической термодинамике работа обычно обозначается буквами L (мольная) и l (удельная). Впрочем, авторы могут использовать какие угодно обозначения, если только дадут им расшифровку.