Volum (termodinàmica)

En termodinàmica, el volum d'un sistema és un paràmetro extensiu important per a descriure el seu estat termodinàmic. El volum específic, una propietat intensiva, és el volum del sistema per unitat de massa. El volum és una funció de l'estat i és interdependent en atres propietats termodinàmiques com la pressió i la temperatura. Per eixemple, el volum està relacionat en la pressió i la temperatura d'un gas ideal per la llei del gas ideal.

El volum físic d'un sistema pot o no coincidir en un volum de control utilisat per a analisar el sistema.

Visió general

El volum d'un sistema termodinàmic generalment es referix al volum del decorregut de treball, com, per eixemple, el decorregut dins d'un pistón. Els canvis a este volum es poden fer a través d'una aplicació de treball, o es poden usar per a produir treball. No obstant, un procés isocórico funciona a un volum constant, per lo que no es pot produir cap treball. Molts atres processos termodinàmics donaran com resultat un canvi en el volum. Un procés politrópico, en particular, causa canvis en el sistema per a que la cantitat $p{V}^n$siga constant (a on $p$ és pressió, $V$és volum i $n$és l'índex politrópico, una constant). Tinga en conte que per a índexs politrópicos específics, un procés politrópico serà equivalent a un procés de propietats constants. Per eixemple, per a valors molt grans de $n$que s'aproximen a l'infinit, el procés es convertix en un volum constant.

Els gasos són compresibles, per lo que els seus volums (i volums específics) poden estar subjectes a canvis durant els processos termodinàmics. No obstant, els líquits són casi incompresibles, per lo que els seus volums a sovint es poden prendre com a constants. En general, la compresibilidad es definix com el canvi de volum relatiu d'un decorregut o sòlit com a resposta a una pressió, i pot determinar-se per a substàncies en qualsevol fase. De manera similar, l'expansió tèrmica és la tendència de la matèria a canviar de volum en resposta a un canvi de temperatura.

Molts cicles termodinàmics es componen de processos variables, alguns que mantenen un volum constant i uns atres que no. Un cicle de refrigeració per compressió de vapor, per eixemple, seguix una seqüència en la que el decorregut refrigerante transita entre els estats líquit i vapor de la matèria.

Les unitats típiques per al volum són ${\mathrm{m}}^{\mathrm{3}}$(metros cúbics), $\mathrm{l}$(litros) i ${\mathrm{f}\mathrm{t}}^3$(peu cúbic).

Calor i treball

El treball mecànic realisat en un decorregut de treball provoca un canvi en les restriccions mecàniques del sistema; en atres paraules, per a que el treball ocórrega, el volum deu ser alterat. Per lo tant, el volum és un paràmetro important en la caracterisació de molts processos termodinàmics a on es tracta d'un intercanvi d'energia en forma de treball.

El volum és una d'un parell de variables conjugades, l'atra és la pressió. Com en tots els parells conjugats, el producte és una forma d'energia. El producte $pV$és l'energia perduda en un sistema pel treball mecànic. Este producte és un terme que compon l'entalpia $H$:

$H=U+pV,$

a on $U$ és l'energia interna del sistema.

La segona llei de la termodinàmica descriu restriccions en la cantitat de treball útil que es pot extraure d'un sistema termodinàmic. En els sistemes termodinàmics a on la temperatura i el volum es mantenen constants, la mida del treball "útil" alcanzable és l'energia lliure de Helmholtz; i en sistemes a on el volum no es manté constant, la mida del treball útil que es pot alcançar és l'energia lliure de Gibbs.

De manera similar, el valor apropiat de la capacitat calorífica per a usar en un procés donat depén de si el procés produïx un canvi en el volum. La capacitat de calor és una funció de la cantitat de calor agregada a un sistema. En el cas d'un procés de volum constant, tota la calor afecta l'energia interna del sistema (és dir, no hi ha treball pV, i tota la calor afecta la temperatura). No obstant, en un procés sense un volum constant, l'adició de calor afecta tant a l'energia interna com al treball (és dir, l'entalpia); per lo tant, la temperatura canvia en una cantitat diferent a la de la caixa de volum constant i es requerix un valor de capacitat de calor diferent.