งาน (อุณหพลศาสตร์)

1824

งานคือ "น้ำหนักที่ยกขึ้นจากที่สูง" ถูกกำหนดโดยSadi Carnotในปี พ.ศ. 2367 ในกระดาษที่มีชื่อเสียงเรื่อง " Reflections on the Motive Power of Fire " ซึ่งเขาใช้คำว่าแรงจูงใจในการทำงาน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ตาม Carnot:

เราใช้แรงจูงใจที่นี่เพื่อแสดงผลกระทบที่เป็นประโยชน์ที่มอเตอร์สามารถผลิตได้ เอฟเฟกต์นี้สามารถเปรียบได้กับความสูงของน้ำหนักจนถึงความสูงที่แน่นอน อย่างที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่าผลคูณของน้ำหนักนั้นคูณด้วยความสูงที่ยกขึ้น

1845

เครื่องมือของ Joule สำหรับวัดค่า เทียบเท่าทางกลของความร้อน

ในปี 1845 อังกฤษฟิสิกส์เจมส์จูลเขียนกระดาษบนเทียบเท่าทางกลของความร้อนสำหรับการประชุมสมาคมอังกฤษในเคมบริดจ์ ^[6]ในบทความนี้ เขารายงานการทดลองที่โด่งดังที่สุดของเขา ซึ่งพลังงานกลที่ปล่อยออกมาจากการกระทำของ "น้ำหนักที่ตกลงมาจากความสูง" ถูกใช้เพื่อหมุนล้อพายในถังเก็บน้ำที่มีฉนวนหุ้ม

ในการทดลองนี้การเคลื่อนไหวของล้อพายเรือผ่านปั่นป่วนและแรงเสียดทาน , ร้อนร่างกายของน้ำเพื่อที่จะเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิ ทั้งการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ ∆T ของน้ำและความสูงของการตก ∆h ของน้ำหนัก mg ถูกบันทึกไว้ การใช้ค่าเหล่านี้ทำให้ Joule สามารถหาค่าเทียบเท่าทางกลของความร้อนได้ Joule ประมาณการเทียบเท่าทางกลของความร้อนที่ 819 ft•lbf/Btu (4.41 J/cal) คำจำกัดความของความร้อน งาน อุณหภูมิ และพลังงานในยุคปัจจุบันล้วนเกี่ยวข้องกับการทดลองนี้ ในการจัดเรียงอุปกรณ์นี้ กระบวนการนี้จะไม่มีทางย้อนกลับ โดยที่น้ำจะขับแป้นพายเพื่อยกน้ำหนักขึ้น ไม่เลยแม้แต่น้อย งานเครื่องกลทำโดยใช้อุปกรณ์ถ่วงน้ำหนัก รอก และไม้พายที่วางอยู่รอบๆ น้ำ การเคลื่อนไหวของพวกมันแทบจะไม่ส่งผลกระทบต่อปริมาณน้ำ งานที่ไม่เปลี่ยนปริมาตรของน้ำนั้นเรียกว่า isochoric; มันกลับไม่ได้ พลังงานที่ได้จากการตกของน้ำหนักส่งผ่านเข้าไปในน้ำเป็นความร้อน

การอนุรักษ์พลังงาน

หลักการชี้นำล่วงหน้าของอุณหพลศาสตร์คือการอนุรักษ์พลังงาน พลังงานทั้งหมดของระบบคือผลรวมของพลังงานภายใน ของพลังงานศักย์ของระบบทั้งหมดในสนามแรงภายนอก เช่น แรงโน้มถ่วง และพลังงานจลน์ของระบบทั้งหมดที่เคลื่อนที่ อุณหพลศาสตร์มีความกังวลเป็นพิเศษเกี่ยวกับการถ่ายเทพลังงานจากร่างกายของสสาร เช่น กระบอกสูบไอน้ำ ไปรอบ ๆ ร่างกาย โดยกลไกที่ร่างกายใช้แรงมหภาคไปรอบ ๆ เพื่อยกน้ำหนัก ที่นั่น; กลไกดังกล่าวเป็นสิ่งที่กล่าวกันว่าเป็นสื่อกลางในการทำงานทางอุณหพลศาสตร์

นอกจากนี้การถ่ายโอนพลังงานเป็นงานอุณหพลศาสตร์ยอมรับว่าการถ่ายโอนพลังงานความร้อน สำหรับกระบวนการในระบบเทอร์โมไดนามิกแบบปิด (ไม่มีการถ่ายโอนสสาร) กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงในพลังงานภายใน (หรือฟังก์ชันพลังงานคาร์ดินัลอื่น ๆขึ้นอยู่กับเงื่อนไขของการถ่ายโอน) ของระบบไปยังโหมดพลังงานทั้งสอง ถ่ายโอนเป็นงานและเป็นความร้อน งานอะเดียแบติกทำได้โดยไม่ต้องถ่ายเทสสารและไม่มีการถ่ายเทความร้อน โดยหลักการแล้ว ในเทอร์โมไดนามิกส์สำหรับกระบวนการในระบบปิด ปริมาณการถ่ายเทความร้อนถูกกำหนดโดยปริมาณของงานอะเดียแบติกที่จำเป็นต่อการเปลี่ยนแปลงในระบบที่เกิดจากการถ่ายเทความร้อน ในทางปฏิบัติในการทดลอง การถ่ายเทความร้อนมักจะถูกประมาณค่าแคลอรีเมตริก โดยการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิของปริมาณสารวัสดุแคลอรีเมตริกที่ทราบปริมาณที่ทราบ

พลังงานยังสามารถถ่ายโอนไปยังหรือจากระบบโดยการถ่ายโอนสสาร ความเป็นไปได้ของการถ่ายโอนดังกล่าวกำหนดระบบเป็นระบบเปิดซึ่งต่างจากระบบปิด ตามคำจำกัดความการถ่ายโอนดังกล่าวไม่ใช่งานหรือความร้อน

การเปลี่ยนแปลงของพลังงานศักย์ของร่างกายโดยรวมเมื่อเทียบกับแรงในสิ่งรอบข้าง และในพลังงานจลน์ของร่างกายที่เคลื่อนไหวโดยรวมเมื่อเทียบกับสิ่งรอบข้าง ถูกแยกออกจากพลังงานที่สำคัญของร่างกาย (ตัวอย่างคือภายใน พลังงานและเอนทาลปี)

ถ่ายเทพลังงานได้เกือบย้อนกลับโดยการทำงานในบริเวณโดยรอบ

ในสภาพแวดล้อมของระบบอุณหพลศาสตร์ภายนอกนั้น งานรูปแบบมหภาคทั้งทางกลและไม่ใช่ทางกลทั้งหมดสามารถแปลงเป็นกันและกันได้โดยไม่มีข้อจำกัดในหลักการเนื่องจากกฎของอุณหพลศาสตร์ เพื่อให้ประสิทธิภาพการแปลงพลังงานสามารถเข้าใกล้ได้ 100% ในบางกรณี; แปลงดังกล่าวจะต้องฝืดและจึงอะ ^[7]โดยเฉพาะอย่างยิ่ง โดยหลักการแล้ว งานรูปแบบมหภาคทั้งหมดสามารถเปลี่ยนเป็นงานกลของการยกน้ำหนัก ซึ่งเป็นรูปแบบดั้งเดิมของงานทางอุณหพลศาสตร์ที่ Carnot และ Joule พิจารณา (ดูหัวข้อประวัติด้านบน) ผู้เขียนบางคนมองว่าความเทียบเท่ากับการยกน้ำหนักนี้เป็นลักษณะเฉพาะของงาน ^{[8] [9] [10] [11]}ตัวอย่างเช่น ด้วยอุปกรณ์สำหรับการทดลองของจูลซึ่งน้ำหนักที่ลดต่ำลงในสภาพแวดล้อมโดยรอบโดยใช้รอกทำให้เกิดการกวนของระบบเทอร์โมไดนามิกส์ การลงน้ำหนักสามารถเบี่ยงเบนได้โดย การจัดเรียงรอกใหม่ เพื่อที่จะยกน้ำหนักขึ้นอีกอันหนึ่งในสภาพแวดล้อม แทนที่จะกวนระบบเทอร์โมไดนามิก

การแปลงดังกล่าวอาจถูกทำให้เป็นอุดมคติโดยแทบไม่มีการเสียดสี แม้ว่าจะเกิดขึ้นค่อนข้างเร็ว มันมักจะเกิดขึ้นผ่านอุปกรณ์ที่ไม่ใช่ระบบเทอร์โมไดนามิกอย่างง่าย (ระบบเทอร์โมไดนามิกอย่างง่ายคือสารที่เป็นเนื้อเดียวกันของสาร) ตัวอย่างเช่น การลงน้ำหนักในการทดลองกวนของ Joule จะลดพลังงานทั้งหมดของน้ำหนักลง มีการอธิบายว่าการสูญเสียพลังงานศักย์โน้มถ่วงตามน้ำหนัก เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงตำแหน่งมหภาคในสนามแรงโน้มถ่วง ตรงกันข้ามกับ ตัวอย่างเช่น การสูญเสียพลังงานภายในของน้ำหนักอันเนื่องมาจากการเปลี่ยนแปลงของเอนโทรปี ปริมาตร และองค์ประกอบทางเคมี . แม้ว่ามันจะเกิดขึ้นค่อนข้างเร็ว เนื่องจากพลังงานยังคงมีอยู่เกือบเต็มเป็นงานไม่ทางใดก็ทางหนึ่ง การเบี่ยงเบนของงานในสภาพแวดล้อมดังกล่าวอาจถูกทำให้เป็นอุดมคติที่เกือบจะย้อนกลับได้ หรือมีประสิทธิภาพเกือบสมบูรณ์

ในทางตรงกันข้ามการแปลงของความร้อนในการทำงานในส่วนของเครื่องยนต์ความร้อนไม่สามารถเกินประสิทธิภาพ Carnotเป็นผลมาจากการที่กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ การแปลงพลังงานดังกล่าว ผ่านการทำงานที่ค่อนข้างรวดเร็ว ในเครื่องยนต์ความร้อนที่ใช้งานได้จริง โดยระบบเทอร์โมไดนามิกส์ที่อยู่รอบข้าง ไม่สามารถทำให้เป็นอุดมคติได้ แม้แต่เกือบจะย้อนกลับได้

งานทางอุณหพลศาสตร์ที่ทำโดยระบบอุณหพลศาสตร์โดยรอบถูกกำหนดให้เป็นไปตามหลักการนี้ ในอดีต อุณหพลศาสตร์เป็นเรื่องเกี่ยวกับวิธีที่ระบบอุณหพลศาสตร์สามารถทำงานในสภาพแวดล้อมได้

งานที่ทำโดยและบนระบบเทอร์โมไดนามิกอย่างง่าย

งานที่ทำเสร็จแล้วและงานที่ทำโดยระบบเทอร์โมไดนามิกต้องถูกแยกแยะ ผ่านการพิจารณากลไกที่แม่นยำ งานที่ทำบนระบบเทอร์โมไดนามิก โดยอุปกรณ์หรือระบบในบริเวณโดยรอบ ดำเนินการโดยการกระทำ เช่น การอัดและรวมถึงงานเพลา การกวน และการถู งานดังกล่าวทำโดยการบีบอัดเป็นงานทางอุณหพลศาสตร์ตามที่กำหนดไว้ในที่นี้ แต่งานเพลา การกวน และการถูไม่ใช่งานเทอร์โมไดนามิกตามที่กำหนดไว้ในที่นี้ เนื่องจากจะไม่เปลี่ยนปริมาตรของระบบเทียบกับแรงต้าน งานที่ไม่มีการเปลี่ยนแปลงของปริมาตรเรียกว่างานไอโซโคริกเช่น เมื่อหน่วยงาน ในสภาพแวดล้อมของระบบ ขับเคลื่อนการเสียดสีบนพื้นผิวหรือภายในระบบ

ในกระบวนการถ่ายโอนพลังงานจากหรือไปยังระบบเทอร์โมไดนามิก การเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายในของระบบถูกกำหนดไว้ในทฤษฎีโดยปริมาณของงานอะเดียแบติกที่จำเป็นต้องไปถึงขั้นสุดท้ายจากสถานะเริ่มต้น ซึ่งงานแอเดียแบติกดังกล่าวเป็น วัดได้โดยผ่านตัวแปรทางกลหรือการเสียรูปของระบบที่วัดได้จากภายนอก ซึ่งให้ข้อมูลทั้งหมดเกี่ยวกับแรงที่กระทำโดยสิ่งรอบข้างในระบบในระหว่างกระบวนการ ในกรณีของการวัดของ Joule บางส่วน กระบวนการนี้ถูกจัดวางเพื่อให้ความร้อนที่เกิดขึ้นนอกระบบ (ในสารของแป้นพาย) โดยกระบวนการเสียดสีทำให้เกิดการถ่ายเทความร้อนจากแป้นพายเข้าสู่ระบบในระหว่างกระบวนการด้วย ดังนั้น ว่าปริมาณงานที่ทำโดยรอบบนระบบสามารถคำนวณได้เป็นงานเพลาซึ่งเป็นตัวแปรทางกลภายนอก ^{[12] [13]}

ปริมาณพลังงานที่ถ่ายโอนขณะงานวัดจากปริมาณที่กำหนดภายนอกระบบที่สนใจ และดังนั้นจึงเป็นของสิ่งรอบข้าง ในรูปแบบสัญลักษณ์ที่สำคัญ ซึ่งนิยมใช้กันในวิชาเคมี งานที่เพิ่มพลังงานภายในของระบบจะถูกนับเป็นบวก ในทางกลับกัน ด้วยเหตุผลทางประวัติศาสตร์ แบบแผนของเครื่องหมายที่มักพบบ่อย ซึ่งนิยมใช้กันในวิชาฟิสิกส์ คือ ให้ถือว่างานที่ทำโดยระบบโดยรอบเป็นไปในทางบวก

กระบวนการที่ไม่ได้อธิบายโดยงานมหภาค

การถ่ายเทความร้อนประเภทหนึ่งผ่านการสัมผัสโดยตรงระหว่างระบบปิดกับสภาพแวดล้อมโดยรอบ คือการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนด้วยกล้องจุลทรรศน์ของอนุภาคและพลังงานศักย์ระหว่างโมเลกุลที่เกี่ยวข้องกัน ^[14]บัญชีจุลทรรศน์ของกระบวนการดังกล่าวเป็นจังหวัดของกลศาสตร์สถิติ ไม่ใช่ของอุณหพลศาสตร์ระดับมหภาค การถ่ายเทความร้อนอีกประเภทหนึ่งคือการแผ่รังสี ^{[15] [16]}การแผ่รังสีของพลังงานไม่สามารถย้อนกลับได้ในแง่ที่ว่ามันเกิดขึ้นจากระบบที่ร้อนกว่าไปยังระบบที่เย็นกว่าเท่านั้น ไม่มีทางอื่น มีหลายรูปแบบของพลังงาน dissipative ของพลังงานที่สามารถเกิดขึ้นได้ภายในภายในระบบในระดับโมเลกุลเช่นมีแรงเสียดทานรวมทั้งเป็นกลุ่มและแรงเฉือนหนืด^[17] ปฏิกิริยาทางเคมี , ^[1]ข้อ จำกัด การขยายตัวในขณะที่การขยายตัวของจูลและการแพร่กระจายและเฟส เปลี่ยนแปลง ^[1]

งานทางอุณหพลศาสตร์ไม่ได้คำนึงถึงพลังงานใด ๆ ที่ถ่ายโอนระหว่างระบบเป็นความร้อนหรือผ่านการถ่ายโอนสสาร

ระบบเปิด

สำหรับระบบเปิด กฎข้อที่หนึ่งของเทอร์โมไดนามิกส์ยอมรับการถ่ายเทพลังงานสามรูปแบบ ทั้งในรูปงาน ความร้อน และพลังงานที่เกี่ยวข้องกับสสารที่ถูกถ่ายเท ไม่สามารถแยกส่วนหลังออกเป็นส่วนประกอบความร้อนและชิ้นงานได้

การพาความร้อนทางเดียวของพลังงานภายในเป็นรูปแบบการขนส่งพลังงาน แต่ไม่ใช่อย่างที่บางครั้งเข้าใจผิด (เป็นที่ระลึกของทฤษฎีแคลอรี่ของความร้อน) การถ่ายเทพลังงานเป็นความร้อนเนื่องจากการพาความร้อนทางเดียวเป็นการถ่ายเทของสสาร และไม่ใช่การถ่ายเทพลังงานเป็นงาน อย่างไรก็ตาม หากผนังระหว่างระบบและบริเวณโดยรอบมีความหนาและมีของไหล ในที่ที่มีสนามโน้มถ่วง การไหลเวียนหมุนเวียนภายในผนังถือได้ว่าเป็นสื่อกลางในการถ่ายเทพลังงานเป็นความร้อนระหว่างระบบกับสภาพแวดล้อม แม้ว่า แหล่งที่มาและปลายทางของพลังงานที่ถ่ายโอนไม่ได้สัมผัสโดยตรง

"กระบวนการ" ทางอุณหพลศาสตร์ที่ย้อนกลับได้ในจินตนาการ

สำหรับวัตถุประสงค์ของการคำนวณทางทฤษฎีเกี่ยวกับระบบเทอร์โมไดนามิก เราสามารถจินตนาการถึง "กระบวนการ" ทางอุณหพลศาสตร์ในอุดมคติที่สมมติขึ้นได้ ซึ่งเกิดขึ้นช้ามากจนไม่เกิดแรงเสียดทานภายในหรือบนพื้นผิวของระบบ พวกเขาสามารถถือได้ว่าสามารถย้อนกลับได้อย่างแท้จริง กระบวนการที่สมมติขึ้นเหล่านี้ดำเนินไปตามเส้นทางบนพื้นผิวเรขาคณิตที่อธิบายอย่างชัดเจนโดยสมการลักษณะเฉพาะของระบบอุณหพลศาสตร์ พื้นผิวเรขาคณิตเหล่านี้เป็นตำแหน่งที่เป็นไปได้ของสภาวะสมดุลทางอุณหพลศาสตร์สำหรับระบบ กระบวนการทางอุณหพลศาสตร์ที่เป็นไปได้จริงๆ ซึ่งเกิดขึ้นในอัตราที่ใช้งานได้จริง แม้ว่าจะเกิดขึ้นโดยงานที่ประเมินในสภาพแวดล้อมแบบอะเดียแบติกเท่านั้น โดยไม่มีการถ่ายเทความร้อน จะเกิดแรงเสียดทานภายในระบบเสมอ ดังนั้นจึงไม่สามารถย้อนกลับได้เสมอ เส้นทางของกระบวนการที่เป็นไปได้จริงๆ มักจะออกจากพื้นผิวลักษณะทางเรขาคณิตเหล่านั้นเสมอ แม้ว่าจะเกิดขึ้นจากงานที่ประเมินในสภาพแวดล้อมแบบอะเดียแบติกเท่านั้น โดยไม่มีการถ่ายเทความร้อน การออกเดินทางดังกล่าวมักนำมาซึ่งการผลิตเอนโทรปี

จูลร้อนและถู

คำจำกัดความของงานทางอุณหพลศาสตร์คือการเปลี่ยนแปลงของการเปลี่ยนแปลงรูปแบบอย่างกว้างขวางของระบบ^[18] (และองค์ประกอบทางเคมีและอื่น ๆ บางอย่าง) สถานะตัวแปร เช่น ปริมาตร โครงสร้างเคมีเชิงกราม หรือโพลาไรเซชันทางไฟฟ้า ตัวอย่างของตัวแปรรัฐที่ไม่ได้เป็นความผิดปกติที่กว้างขวางหรือตัวแปรอื่น ๆ เช่นอุณหภูมิTและเอนโทรปีSเป็นเช่นในการแสดงออกU = U ( S , V , { N _J }) การเปลี่ยนแปลงของตัวแปรดังกล่าวไม่สามารถวัดได้จริงทางกายภาพโดยใช้กระบวนการทางอุณหพลศาสตร์แบบอะเดียแบติกอย่างง่าย เป็นกระบวนการที่ไม่ได้เกิดขึ้นโดยงานทางอุณหพลศาสตร์หรือโดยการถ่ายโอนสสาร ดังนั้นจึงกล่าวได้ว่าเกิดขึ้นจากการถ่ายเทความร้อน ปริมาณงานทางอุณหพลศาสตร์หมายถึงงานที่ทำโดยระบบโดยรอบ ตามกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์งานดังกล่าวไม่สามารถย้อนกลับได้ เพื่อให้ได้การวัดทางกายภาพที่แท้จริงและแม่นยำของปริมาณงานทางอุณหพลศาสตร์ จำเป็นต้องพิจารณาถึงความไม่สามารถย้อนกลับได้โดยการคืนค่าระบบให้เป็นสภาวะเริ่มต้นโดยเรียกใช้รอบ เช่น วงจรคาร์โนต์ ซึ่งรวมถึงงานเป้าหมายเป็น ขั้นตอน งานที่ทำโดยระบบในสภาพแวดล้อมนั้นคำนวณจากปริมาณที่ประกอบเป็นวัฏจักรทั้งหมด ^[19]จำเป็นต้องมีวงจรที่แตกต่างกันเพื่อวัดงานที่ทำโดยสภาพแวดล้อมในระบบ นี่เป็นเครื่องเตือนใจว่าการถูพื้นผิวของระบบจะปรากฏต่อตัวแทนถูในสภาพแวดล้อมที่เป็นกลไกแม้ว่าจะไม่ใช่ทางอุณหพลศาสตร์ก็ตามงานที่ทำบนระบบไม่ใช่เป็นความร้อน แต่ปรากฏต่อระบบเป็นความร้อนที่ถ่ายเทไปยังระบบไม่ใช่เป็น งานทางอุณหพลศาสตร์ การผลิตความร้อนโดยการถูจะย้อนกลับไม่ได้ ^{[20] ใน}อดีต มันเป็นหลักฐานชิ้นหนึ่งสำหรับการปฏิเสธทฤษฎีแคลอรี่ของความร้อนในฐานะสารอนุรักษ์ ^[21]กระบวนการที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ที่เรียกว่าจูลให้ความร้อนนั้นเกิดขึ้นจากการเปลี่ยนแปลงของตัวแปรสถานะที่ครอบคลุมที่ไม่ทำให้เกิดการเปลี่ยนรูป

ดังนั้น ในความเห็นของ Lavenda งานจึงไม่ใช่แนวคิดดั้งเดิมเท่ากับความร้อน ซึ่งสามารถวัดได้โดยการวัดปริมาณความร้อน ^[22]ความคิดเห็นนี้ไม่ได้ลบล้างคำจำกัดความทางอุณหพลศาสตร์ของความร้อนในแง่ของงานอะเดียแบติกตามธรรมเนียมในปัจจุบัน

ปัจจัยที่เริ่มต้นของกระบวนการทางอุณหพลศาสตร์เรียกว่า การดำเนินการทางอุณหพลศาสตร์ในหลายกรณี การเปลี่ยนแปลงในการซึมผ่านของผนังระหว่างระบบกับสภาพแวดล้อม การถูไม่ใช่การเปลี่ยนแปลงการซึมผ่านของผนัง คำแถลงของเคลวินเกี่ยวกับกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ใช้แนวคิดของ "หน่วยงานวัสดุที่ไม่มีชีวิต"; ความคิดนี้บางครั้งถือว่าทำให้งง ^[23]การกระตุ้นของกระบวนการถูสามารถเกิดขึ้นได้เฉพาะในสภาพแวดล้อมเท่านั้น ไม่ใช่ในระบบอุณหพลศาสตร์ในสภาวะสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ภายใน การกระตุ้นดังกล่าวอาจอธิบายได้ว่าเป็นการดำเนินการทางอุณหพลศาสตร์

ในอุณหพลศาสตร์ ปริมาณงานที่ทำโดยระบบปิดในสภาพแวดล้อมโดยรอบถูกกำหนดโดยปัจจัยที่จำกัดอยู่เพียงส่วนต่อประสานของสภาพแวดล้อมกับระบบและสภาพแวดล้อมของระบบ เช่น สนามแรงโน้มถ่วงที่ขยายออกไปซึ่งระบบตั้งอยู่ กล่าวคือ กับสิ่งภายนอกระบบ

ข้อกังวลหลักของอุณหพลศาสตร์คือคุณสมบัติของวัสดุ งานทางอุณหพลศาสตร์ถูกกำหนดขึ้นเพื่อวัตถุประสงค์ในการคำนวณทางอุณหพลศาสตร์เกี่ยวกับวัตถุหรือที่เรียกว่าระบบทางอุณหพลศาสตร์ ดังนั้น งานทางอุณหพลศาสตร์ถูกกำหนดเป็นปริมาณที่อธิบายสถานะของวัสดุ ซึ่งปรากฏเป็นตัวแปรสถานะทางอุณหพลศาสตร์ตามปกติ เช่น ปริมาตร ความดัน อุณหภูมิ องค์ประกอบทางเคมี และโพลาไรซ์ทางไฟฟ้า ตัวอย่างเช่น ในการวัดความดันภายในระบบจากภายนอก ผู้สังเกตการณ์ต้องการให้ระบบมีกำแพงที่สามารถเคลื่อนที่ได้ในปริมาณที่วัดได้เพื่อตอบสนองต่อความแตกต่างของแรงดันระหว่างภายในระบบกับสภาพแวดล้อมโดยรอบ ในแง่นี้ ส่วนหนึ่งของคำจำกัดความของระบบอุณหพลศาสตร์คือธรรมชาติของผนังที่กั้นไว้

งานเทอร์โมไดนามิกหลายประเภทมีความสำคัญเป็นพิเศษ ตัวอย่างง่ายๆ อย่างหนึ่งคืองานกดดัน-ปริมาณ แรงกดดันของความกังวลคือแรงที่กระทำโดยสิ่งรอบข้างบนพื้นผิวของระบบ และปริมาณของดอกเบี้ยเป็นค่าลบของการเพิ่มของปริมาตรที่ระบบได้รับจากสิ่งรอบข้าง โดยปกติจะมีการจัดว่าความดันที่กระทำโดยสภาพแวดล้อมบนพื้นผิวของระบบถูกกำหนดไว้อย่างดีและเท่ากับความดันที่กระทำโดยระบบที่อยู่รอบข้าง การจัดเตรียมสำหรับการถ่ายโอนพลังงานเป็นงานนี้สามารถเปลี่ยนแปลงได้ในลักษณะเฉพาะที่ขึ้นอยู่กับลักษณะทางกลอย่างเคร่งครัดของงานแรงดัน-ปริมาตร รูปแบบดังกล่าวประกอบด้วยการปล่อยให้คัปปลิ้งระหว่างระบบและสภาพแวดล้อมผ่านแกนแข็งที่เชื่อมลูกสูบของส่วนต่างๆ สำหรับระบบและสภาพแวดล้อม แล้วสำหรับจำนวนเงินที่ได้รับจากการทำงานการถ่ายโอนการแลกเปลี่ยนของปริมาณที่เกี่ยวข้องกับแรงกดดันที่แตกต่างกันผกผันกับพื้นที่ลูกสูบสำหรับสมดุลกล สิ่งนี้ไม่สามารถทำได้สำหรับการถ่ายเทพลังงานเป็นความร้อนเนื่องจากไม่ใช่ลักษณะทางกล ^[24]

งานที่สำคัญอีกประเภทหนึ่งคืองานไอโซโคริก กล่าวคือ งานที่ไม่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงปริมาตรของระบบโดยรวมในท้ายที่สุดระหว่างสถานะเริ่มต้นและสถานะสุดท้ายของกระบวนการ ตัวอย่างคือแรงเสียดทานบนพื้นผิวของระบบเช่นเดียวกับในการทดลองของรัมฟอร์ด งานเพลาเช่นในการทดลองของจูล การกวนของระบบด้วยไม้พายแม่เหล็กที่อยู่ภายในซึ่งขับเคลื่อนด้วยสนามแม่เหล็กที่เคลื่อนที่จากสภาพแวดล้อม และการสั่นสะเทือนบนระบบโดยปล่อยให้ปริมาตรในท้ายที่สุดไม่เปลี่ยนแปลง แต่เกี่ยวข้องกับการเสียดสีภายในระบบ งานกลแบบไอโซคอริกสำหรับร่างกายในสภาวะสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ภายในนั้นทำโดยสภาพแวดล้อมในร่างกายเท่านั้น ไม่ใช่โดยร่างกายที่อยู่รอบข้าง ดังนั้นสัญญาณของการทำงานเชิงกลไกแบบไอโซคอริกกับแบบแผนเครื่องหมายฟิสิกส์จะเป็นลบเสมอ

เมื่องาน เช่น งานความดัน-ปริมาตร ถูกกระทำบนสภาพแวดล้อมด้วยระบบปิดที่ไม่สามารถผ่านความร้อนเข้าหรือออกได้ เนื่องจากถูกจำกัดด้วยผนังอะเดียแบติก กล่าวกันว่า งานเป็นแบบอะเดียแบติกสำหรับระบบเช่นเดียวกับสำหรับ สภาพแวดล้อม เมื่องานเครื่องกลเกิดขึ้นกับระบบที่ปิดแบบอะเดียแบติกซึ่งอยู่รอบๆ ตัว การเสียดสีในสิ่งแวดล้อมนั้นแทบไม่มีนัยสำคัญ เช่น ในการทดลองจูลโดยใช้แป้นควบคุมน้ำหนักที่ตกลงมาซึ่งกระตุ้นระบบ งานดังกล่าวเป็นแบบอะเดียแบติกสำหรับสภาพแวดล้อม แม้ว่าจะเกี่ยวข้องกับการเสียดสีภายในระบบก็ตาม งานดังกล่าวอาจจะใช่หรือไม่ก็ได้สำหรับระบบ ขึ้นอยู่กับระบบและผนังกั้นของระบบ หากเกิดเป็น isochoric สำหรับระบบ (และในที่สุดไม่เปลี่ยนแปลงตัวแปรสถานะของระบบอื่นๆ เช่น การสะกดจิต) จะปรากฏเป็นการถ่ายเทความร้อนไปยังระบบ และดูเหมือนจะไม่กลายเป็นอะเดียแบติกสำหรับระบบ

ในประวัติศาสตร์ช่วงแรกๆ ของอุณหพลศาสตร์ จำนวนงานเชิงบวกที่ทำโดยระบบโดยรอบทำให้สูญเสียพลังงานจากระบบ แบบแผนสัญลักษณ์ทางประวัติศาสตร์นี้ถูกนำมาใช้ในตำราฟิสิกส์หลายเล่มและใช้ในบทความปัจจุบัน ^[25]

ตามกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์สำหรับระบบปิด การเปลี่ยนแปลงสุทธิใดๆ ในพลังงานภายในUจะต้องนำมาพิจารณาอย่างเต็มที่ ในแง่ของความร้อนQ ที่เข้าสู่ระบบและงานW ที่ทำโดยระบบ: ^[14]

${\displaystyle \Delta U=QW.\;}$⁽²⁶⁾

ข้อตกลงอื่นคือการพิจารณางานที่ทำกับระบบโดยสภาพแวดล้อมโดยรอบเป็นบวก นี้นำไปสู่การเปลี่ยนแปลงในสัญญาณของงานเพื่อให้${\displaystyle \Delta U=Q+W}$. อนุสัญญานี้เคยถูกนำมาใช้ในวิชาเคมี แต่ได้ถูกนำมาใช้ในตำราฟิสิกส์สมัยใหม่หลายเล่ม ^{[25] [27] [28] [29]}

สมการนี้สะท้อนความจริงที่ว่าการถ่ายเทความร้อนและงานที่ทำนั้นไม่ใช่คุณสมบัติของสถานะของระบบ เมื่อพิจารณาจากสถานะเริ่มต้นและสถานะสุดท้ายของระบบแล้ว เราสามารถพูดได้เพียงว่าการเปลี่ยนแปลงโดยรวมของพลังงานภายในคืออะไร ไม่ใช่ปริมาณพลังงานที่ออกไปเป็นความร้อน และปริมาณของงาน สรุปได้ว่าความร้อนและงานไม่ใช่หน้าที่ของระบบ ^[14]สิ่งนี้ตรงกันข้ามกับกลศาสตร์แบบคลาสสิก โดยที่งานตาข่ายที่กระทำโดยอนุภาคเป็นฟังก์ชันของรัฐ

งานแรงดัน–ปริมาตร (หรืองานPV ) เกิดขึ้นเมื่อปริมาตรVของระบบเปลี่ยนแปลง PVงานมักจะเป็นวัดในหน่วยลิตรบรรยากาศที่1 L · ATM = 101.325 J อย่างไรก็ตามลิตรบรรยากาศไม่ได้เป็นหน่วยงานได้รับการยอมรับในระบบ SI หน่วยซึ่งมาตรการPในปาสคาล (PA) Vใน m ³และPVในจูล (J) ที่ 1 J = 1 Pa ·ม. 3 PVทำงานเป็นหัวข้อสำคัญในการอุณหพลศาสตร์เคมี

สำหรับกระบวนการในระบบปิดที่เกิดขึ้นช้ามากพอสำหรับความหมายที่ถูกต้องของความดันในด้านในของผนังของระบบที่ย้ายและส่งแรงกับสภาพแวดล้อมที่อธิบายว่าเป็นกึ่งไฟฟ้าสถิตย์ , ^{[30] [31]}การทำงานเป็นตัวแทนจาก สมการต่อไปนี้ระหว่างความแตกต่าง :

${\displaystyle \delta W=PdV}$

ที่ไหน

${\displaystyle \delta W}$แสดงถึงการเพิ่มขึ้นเล็กน้อยของงานที่ทำโดยระบบ ถ่ายเทพลังงานไปรอบ ๆ

${\displaystyle P}$หมายถึงความดันภายในระบบที่กระทำต่อผนังเคลื่อนที่ซึ่งส่งแรงไปรอบ ๆ ^[32]ในรูปแบบสัญลักษณ์ทางเลือก ด้านขวามือมีเครื่องหมายลบ ^[29]

${\displaystyle dV}$ หมายถึงการเพิ่มขึ้นเล็กน้อยของระดับเสียงของระบบ

นอกจากนี้

${\displaystyle W=\int _{V_{i}}^{V_{f}}P\,dV.}$

ที่ไหน

${\displaystyle W}$หมายถึงงานที่ทำโดยระบบในระหว่างกระบวนการย้อนกลับทั้งหมด

กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์สามารถแสดงเป็น

${\displaystyle dU=\delta Q-PdV\,.}$^[14]

(ในรูปแบบการลงนามทางเลือก โดยที่W = งานที่ทำบนระบบ${\displaystyle \delta W=-PdV}$. อย่างไรก็ตาม${\displaystyle dU=\delta Q-PdV\,}$ ไม่เปลี่ยนแปลง)

การพึ่งพาเส้นทาง

งาน PV เป็นเส้นทางขึ้นและจึงเป็นทางอุณหพลศาสตร์ฟังก์ชั่นขั้นตอน โดยทั่วไป คำว่าP dVไม่ใช่ส่วนต่างที่แน่นอน ^[33]คำกล่าวที่ว่ากระบวนการสามารถย้อนกลับได้และอะเดียแบติกให้ข้อมูลที่สำคัญเกี่ยวกับกระบวนการ แต่ไม่ได้กำหนดเส้นทางอย่างเฉพาะเจาะจง เนื่องจากเส้นทางสามารถรวมการเคลื่อนไปข้างหน้าอย่างช้าๆ หลายๆ ครั้งในปริมาตร ตราบใดที่ไม่มีการถ่ายเทพลังงานเช่น ความร้อน กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์รัฐ${\displaystyle dU=\delta Q-\delta W}$. สำหรับกระบวนการอะเดียแบติก${\displaystyle \delta Q=0}$ดังนั้นจำนวนงานที่ทำเสร็จจึงเท่ากับลบการเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายใน สำหรับกระบวนการอะเดียแบติกแบบย้อนกลับได้ ปริมาณงานที่สมบูรณ์ในระหว่างกระบวนการจะขึ้นอยู่กับสถานะเริ่มต้นและขั้นสุดท้ายของกระบวนการเท่านั้น และเป็นหนึ่งเดียวกันสำหรับทุกเส้นทางระหว่างกลาง

หากกระบวนการใช้เส้นทางอื่นที่ไม่ใช่เส้นทางอะเดียแบติก งานจะแตกต่างออกไป สิ่งนี้จะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อความร้อนไหลเข้า/ออกจากระบบ ในกระบวนการที่ไม่ใช่อะเดียแบติก มีหลายเส้นทางระหว่างสถานะเริ่มต้นและขั้นสุดท้ายอย่างไม่มีกำหนด

ในสัญกรณ์คณิตศาสตร์ปัจจุบัน ดิฟเฟอเรนเชียล ${\displaystyle \delta W}$เป็นค่าแน่นอน ^[14]

ในอีกรูปแบบหนึ่งδ Wเขียนว่าđ W (มีเส้นผ่านตัว d) สัญกรณ์นี้บ่งชี้ว่าดีเจWไม่ได้เป็นที่แน่นอน หนึ่งรูปแบบ เส้นผ่านเป็นเพียงธงที่จะเตือนให้เรามีจริงไม่มีฟังก์ชั่น (เป็น0 รูปแบบ ) Wซึ่งเป็นศักยภาพของดีเจ W หากมีจริง ฟังก์ชันWนี้ เราควรจะสามารถใช้ทฤษฎีบทสโตกส์เพื่อประเมินฟังก์ชันสมมุตินี้ ศักยภาพของđ Wที่ขอบเขตของเส้นทาง นั่นคือ จุดเริ่มต้นและจุดสุดท้าย ดังนั้น งานจะเป็นหน้าที่ของรัฐ ความเป็นไปไม่ได้นี้สอดคล้องกับข้อเท็จจริงที่ว่าการอ้างถึงงานบนจุดในแผนภาพ PV นั้นไม่สมเหตุสมผล การทำงานถือเป็นเส้นทาง

การทำงานทางกลมีหลายวิธี แต่ละวิธีเกี่ยวข้องกับแรงที่กระทำในระยะไกล ⁽³⁴⁾ในกลศาสตร์พื้นฐาน งานที่ทำโดยแรงคงที่Fบนวัตถุที่เคลื่อนที่เป็นระยะทาง s ในทิศทางของแรงนั้นได้มาจาก

${\displaystyle W=Fs}$

ถ้าแรงไม่คงที่ งานที่ทำนั้นได้มาจากการรวมปริมาณงานที่แตกต่างกัน

${\displaystyle W=\int _{1}^{2}F\,ds.}$

งานหมุนเวียน

การส่งพลังงานด้วยเพลาหมุนเป็นเรื่องปกติมากในการปฏิบัติงานด้านวิศวกรรม บ่อยครั้งที่แรงบิดT ที่ใช้กับเพลาจะคงที่ซึ่งหมายความว่าแรงF ที่ใช้นั้นคงที่ สำหรับแรงบิดคงที่ที่กำหนด งานที่ทำระหว่างรอบnรอบถูกกำหนดดังนี้: แรงFกระทำผ่านโมเมนต์แขนrสร้างแรงบิดT

${\displaystyle T=Fr\implies F={\frac {T}{r}}}$

แรงนี้กระทำผ่านระยะทางsซึ่งสัมพันธ์กับรัศมีrโดย

${\displaystyle s=2r\pi n}$

จากนั้นกำหนดการทำงานของเพลาจาก:

${\displaystyle W_{s}=Fs=2\pi nT}$

กำลังที่ส่งผ่านเพลาคืองานเพลาที่ทำต่อหน่วยเวลาซึ่งแสดงเป็น

${\displaystyle {\dot {W}}_{s}=2\pi T{\dot {n}}}$

งานสปริง

เมื่อมีแรงกระทำต่อสปริง และความยาวของสปริงเปลี่ยนตามจำนวนส่วนต่างdxงานที่ทำคือ

${\displaystyle \partial w_{s}=Fdx}$

สำหรับสปริงยืดหยุ่นเชิงเส้น การกระจัดxเป็นสัดส่วนกับแรงที่ใช้

${\displaystyle F=Kx,}$

โดยที่Kคือค่าคงที่สปริงและมีหน่วยเป็น N/m การกระจัดxวัดจากตำแหน่งที่ไม่ถูกรบกวนของสปริง (นั่นคือX = 0เมื่อF = 0 ) การแทนสมการทั้งสอง

${\displaystyle W_{s}={\frac {1}{2}}k\left(x_{1}^{2}-x_{2}^{2}\right)}$,

โดยที่x ₁และx ₂คือระยะเริ่มต้นและระยะสุดท้ายของสปริงตามลำดับ โดยวัดจากตำแหน่งที่ไม่มีการรบกวนของสปริง

ทำงานบนแท่งแข็งยืดหยุ่น

ของแข็งมักจะถูกจำลองเป็นสปริงเชิงเส้นเนื่องจากภายใต้การกระทำของแรงที่พวกมันหดตัวหรือยืดออก และเมื่อแรงถูกยกขึ้น พวกมันจะกลับคืนสู่ความยาวเดิม เช่น สปริง นี่เป็นจริงตราบใดที่แรงอยู่ในช่วงยืดหยุ่น นั่นคือไม่ใหญ่พอที่จะทำให้เกิดการเสียรูปถาวรหรือพลาสติก ดังนั้น สมการที่กำหนดสำหรับสปริงเชิงเส้นยังสามารถใช้กับแท่งแข็งแบบยืดหยุ่นได้ อีกทางหนึ่ง เราสามารถกำหนดงานที่เกี่ยวข้องกับการขยายหรือหดตัวของแท่งแข็งยืดหยุ่นได้ โดยการแทนที่แรงดันPด้วยคู่ของมันในของแข็ง ความเค้นปกติσ = F / Aในการขยายงาน

${\displaystyle W=\int _{1}^{2}F\,dx.}$

${\displaystyle W=\int _{1}^{2}A\sigma \,dx.}$

โดยที่Aคือพื้นที่หน้าตัดของแท่ง

งานที่เกี่ยวข้องกับการยืดตัวของฟิล์มเหลว

พิจารณาฟิล์มเหลว เช่น ฟิล์มสบู่ที่แขวนอยู่บนโครงลวด ต้องใช้แรงบางอย่างในการยืดฟิล์มนี้ด้วยส่วนที่เคลื่อนที่ได้ของโครงลวด แรงนี้ใช้เพื่อเอาชนะแรงจุลภาคระหว่างโมเลกุลที่ส่วนต่อประสานระหว่างอากาศกับของเหลว แรงขนาดเล็กมากเหล่านี้ตั้งฉากกับเส้นใดๆ ในพื้นผิว และแรงที่เกิดจากแรงเหล่านี้ต่อความยาวหน่วยเรียกว่าแรงตึงผิว σซึ่งมีหน่วยเป็น N/m ดังนั้นงานที่เกี่ยวข้องกับการยืดฟิล์มจึงเรียกว่างานแรงตึงผิวและกำหนดจาก

${\displaystyle W_{s}=\int _{1}^{2}\sigma _{s}\,dA.}$

โดยที่dA = 2 b dxคือการเปลี่ยนแปลงพื้นที่ผิวของฟิล์ม ปัจจัยที่ 2 เกิดจากการที่ฟิล์มมีสองพื้นผิวที่สัมผัสกับอากาศ แรงที่กระทำต่อเส้นลวดที่เคลื่อนที่ได้อันเป็นผลมาจากแรงตึงผิวคือF = 2 b σโดยที่σคือแรงตึงผิวต่อความยาวหน่วย

ปริมาณของงานที่มีประโยชน์ซึ่งอาจจะสกัดจากระบบทางอุณหพลศาสตร์จะถูกกำหนดโดยกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ ภายใต้สถานการณ์ที่ใช้งานได้จริงหลายประการ สิ่งนี้สามารถแสดงได้ด้วยความพร้อมทางอุณหพลศาสตร์ หรือฟังก์ชันExergy กรณีที่สำคัญสองกรณีคือ: ในระบบเทอร์โมไดนามิกส์ซึ่งอุณหภูมิและปริมาตรคงที่ การวัดของงานที่มีประโยชน์ที่ทำได้คือฟังก์ชันพลังงานอิสระของเฮล์มโฮลทซ์ และในระบบที่อุณหภูมิและความดันที่จะมีขึ้นอย่างต่อเนื่องชี้วัดความสำเร็จได้ทำงานที่เป็นประโยชน์เป็นกิ๊บส์พลังงาน

งานที่ไม่ใช่ทางกลในอุณหพลศาสตร์คืองานที่เกิดจากสนามแรงภายนอกที่ระบบสัมผัส การกระทำของแรงดังกล่าวสามารถเกิดขึ้นได้จากเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นรอบ ๆ ระบบ หรือโดยการดำเนินการทางอุณหพลศาสตร์ที่ผนังป้องกันของระบบ

การทำงานไม่ใช่กลของสนามพลังสามารถมีทั้งบวกหรือเครื่องหมายลบการทำงานถูกทำโดยระบบในสภาพแวดล้อมหรือในทางกลับกัน งานที่ทำโดยสนามแรงสามารถทำได้อย่างช้าๆ อย่างไม่มีกำหนด เพื่อเข้าใกล้อุดมคติเสมือนแบบกึ่งสแตติกที่ย้อนกลับได้ในจินตนาการ ซึ่งกระบวนการนี้ไม่ได้สร้างเอนโทรปีในระบบ

ในทางอุณหพลศาสตร์ งานที่ไม่ใช่ทางกลต้องถูกเปรียบเทียบกับงานทางกลที่กระทำโดยแรงที่สัมผัสกันทันทีระหว่างระบบกับสิ่งรอบข้าง ถ้าสมมุติ 'งาน' ของกระบวนการไม่สามารถกำหนดเป็นงานระยะยาวหรืองานติดต่ออื่น ๆ ได้ บางครั้งมันก็ไม่สามารถอธิบายด้วยรูปแบบทางอุณหพลศาสตร์ว่าเป็นงานได้เลย อย่างไรก็ตาม รูปแบบทางอุณหพลศาสตร์ช่วยให้สามารถถ่ายโอนพลังงานระหว่างระบบเปิดและสภาพแวดล้อมโดยรอบโดยกระบวนการที่ไม่ได้กำหนดงานไว้ ตัวอย่างคือเมื่อผนังระหว่างระบบกับสิ่งรอบข้างไม่ได้รับการพิจารณาว่าเป็นอุดมคติและบางจนหมดสิ้น ดังนั้นกระบวนการสามารถเกิดขึ้นได้ภายในผนัง เช่น การเสียดสีที่ส่งผลต่อการถ่ายโอนสสารข้ามผนัง ในกรณีนี้ แรงของการถ่ายโอนไม่ใช่ระยะยาวอย่างเคร่งครัด หรือเนื่องจากการสัมผัสระหว่างระบบกับสิ่งรอบข้างอย่างเคร่งครัด การถ่ายโอนพลังงานนั้นถือได้ว่าเป็นการพาความร้อน และประเมินผลรวมเช่นเดียวกับการถ่ายเทพลังงานภายใน แนวคิดนี้แตกต่างจากการถ่ายเทพลังงานเป็นความร้อนผ่านผนังที่เต็มไปด้วยของเหลวซึ่งมีสนามโน้มถ่วง ระหว่างระบบปิดกับสภาพแวดล้อม ในกรณีนี้อาจมีการหมุนเวียนหมุนเวียนภายในผนัง แต่กระบวนการอาจยังถือว่าเป็นการถ่ายเทพลังงานเป็นความร้อนระหว่างระบบกับสภาพแวดล้อม ถ้าทั้งผนังถูกเคลื่อนย้ายโดยการใช้กำลังจากสิ่งรอบข้างโดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงปริมาตรของผนังเพื่อเปลี่ยนปริมาตรของระบบ ในขณะเดียวกันก็ถ่ายเทพลังงานเป็นงานด้วย ปฏิกิริยาเคมีภายในระบบสามารถนำไปสู่แรงไฟฟ้าระยะไกลและกระแสไฟ ซึ่งถ่ายเทพลังงานเป็นงานระหว่างระบบและสิ่งแวดล้อม แม้ว่าปฏิกิริยาเคมีของระบบเองก็ตาม (ยกเว้นกรณีจำกัดพิเศษที่ขับเคลื่อนผ่าน อุปกรณ์ในสภาพแวดล้อมเพื่อให้เกิดขึ้นตามแนวสมดุลทางอุณหพลศาสตร์) กลับไม่ได้เสมอและไม่ได้โต้ตอบโดยตรงกับสภาพแวดล้อมของระบบ ^[35]

งานที่ไม่ใช่เครื่องกลแตกต่างกับงานที่มีแรงดันและปริมาตร งานแรงดัน-ปริมาตรเป็นหนึ่งในสองงานประเภทสัมผัสทางกลที่พิจารณาเป็นหลัก แรงกระทำต่อผนังที่เชื่อมระหว่างระบบกับสภาพแวดล้อม แรงเกิดจากแรงดันที่กระทำต่อผนังเชื่อมโดยวัสดุภายในระบบ ความดันนั้นเป็นตัวแปรสถานะภายในของระบบ แต่วัดได้อย่างเหมาะสมโดยอุปกรณ์ภายนอกที่ผนัง งานเกิดจากการเปลี่ยนแปลงของปริมาณระบบโดยการขยายหรือหดตัวของระบบ หากระบบขยายออกไป ในบทความปัจจุบัน กล่าวถึงการทำงานในเชิงบวกต่อสิ่งรอบข้าง หากระบบขัดข้อง ในบทความปัจจุบัน กล่าวถึงการทำงานด้านลบต่อสิ่งรอบข้าง งานแรงดัน-ปริมาตรเป็นงานสัมผัสชนิดหนึ่ง เพราะเกิดขึ้นจากการสัมผัสวัสดุโดยตรงกับผนังโดยรอบหรือสสารที่ขอบของระบบ มีการอธิบายอย่างถูกต้องโดยการเปลี่ยนแปลงตัวแปรสถานะของระบบ เช่น หลักสูตรเวลาที่มีการเปลี่ยนแปลงความดันและปริมาตรของระบบ ปริมาตรของระบบจัดอยู่ในประเภท "ตัวแปรการเสียรูป" และวัดจากภายนอกกับระบบอย่างเหมาะสมในสภาพแวดล้อมโดยรอบ แรงดัน–ปริมาณงานสามารถมีเครื่องหมายบวกหรือลบ งานแรงดัน-ปริมาณ ดำเนินการช้าพอ สามารถทำได้เพื่อให้เข้าใกล้อุดมคติเสมือนกึ่งคงที่ที่สมมุติขึ้นได้

งานที่ไม่ใช่เครื่องกลยังแตกต่างกับงานเพลา งานเพลาเป็นงานอื่น ๆ อีกสองประเภทที่พิจารณาว่าเป็นงานสัมผัสทางกลเป็นหลัก มันถ่ายโอนพลังงานโดยการหมุน แต่ในที่สุดมันจะไม่เปลี่ยนรูปร่างหรือปริมาตรของระบบ เนื่องจากไม่เปลี่ยนปริมาตรของระบบ จึงไม่วัดเป็นงานแรงดัน-ปริมาตร และเรียกว่างานไอโซโคริก การพิจารณาเฉพาะในแง่ของความแตกต่างระหว่างรูปร่างเริ่มต้นและขั้นสุดท้ายและปริมาตรของระบบ การทำงานของเพลาจะไม่ทำการเปลี่ยนแปลง ในระหว่างขั้นตอนการทำงานของเพลา เช่น การหมุนของไม้พาย รูปร่างของระบบจะเปลี่ยนเป็นวัฏจักร แต่สิ่งนี้ไม่ได้ทำให้รูปร่างหรือปริมาตรของระบบเปลี่ยนแปลงไปในที่สุด งานเพลาเป็นงานสัมผัสชนิดหนึ่ง เพราะมันเกิดขึ้นจากการสัมผัสวัสดุโดยตรงกับสิ่งรอบข้างที่ขอบเขตของระบบ ระบบที่อยู่ในสภาวะสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ในขั้นต้นไม่สามารถเริ่มต้นการเปลี่ยนแปลงใดๆ ในพลังงานภายในได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งไม่สามารถเริ่มการทำงานของเพลาได้ สิ่งนี้อธิบายการใช้วลี"หน่วยงานวัสดุที่ไม่มีชีวิต" อย่างอยากรู้อยากเห็นโดยเคลวินในหนึ่งในแถลงการณ์ของเขาเกี่ยวกับกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ การดำเนินการทางอุณหพลศาสตร์หรือการเปลี่ยนแปลงในสภาพแวดล้อมนั้นถือว่าสามารถสร้างการเปลี่ยนแปลงที่ซับซ้อนได้ เช่น การหมุนเพลาขับที่ยืดเยื้ออย่างไม่มีกำหนด หลากหลาย หรือหยุดหมุน ในขณะที่ระบบที่เริ่มต้นในสภาวะสมดุลทางอุณหพลศาสตร์นั้นไม่มีชีวิตและไม่สามารถทำเช่นนั้นได้เองตามธรรมชาติ ⁽³⁶⁾ดังนั้นสัญญาณของงานเพลาจึงเป็นลบเสมอ การทำงานในระบบโดยรอบ งานเพลาแทบจะไม่สามารถทำได้อย่างช้าๆ ดังนั้นจึงสร้างเอนโทรปีในระบบเสมอ เพราะมันอาศัยแรงเสียดทานหรือความหนืดภายในระบบสำหรับการถ่ายโอน ^[37]ความคิดเห็นข้างต้นเกี่ยวกับงานเพลาจะใช้ได้ก็ต่อเมื่อไม่มีใครสนใจว่าระบบสามารถเก็บโมเมนตัมเชิงมุมและพลังงานที่เกี่ยวข้องได้

ตัวอย่างโหมดการทำงานที่ไม่ใช้เครื่องกล ได้แก่

• งานสนามไฟฟ้า - ที่แรงถูกกำหนดโดยแรงดันไฟฟ้ารอบข้าง( ศักย์ไฟฟ้า) และการกระจัดกระจายทั่วไปคือการเปลี่ยนแปลงการกระจายเชิงพื้นที่ของประจุไฟฟ้า
• งานโพลาไรซ์ทางไฟฟ้า – ที่แรงถูกกำหนดโดยความแรงของสนามไฟฟ้าของบริเวณโดยรอบและการกระจัดกระจายทั่วไปคือการเปลี่ยนแปลงของโพลาไรซ์ของตัวกลาง (ผลรวมของโมเมนต์ไดโพลไฟฟ้าของโมเลกุล)
• งานแม่เหล็ก – ที่แรงถูกกำหนดโดยความแรงของสนามแม่เหล็กของบริเวณโดยรอบและการกระจัดกระจายทั่วไปคือการเปลี่ยนแปลงของโมเมนต์ไดโพลแม่เหล็กทั้งหมด

การทำงานของแรงโน้มถ่วงจะถูกกำหนดโดยมีผลบังคับใช้ในร่างกายวัดในสนามแรงโน้มถ่วง มันอาจทำให้เกิดการกระจัดทั่วไปในรูปแบบของการเปลี่ยนแปลงการกระจายเชิงพื้นที่ของเรื่องภายในระบบ ระบบจะรับพลังงานภายใน (หรือปริมาณพลังงานสำคัญอื่นๆ ที่เกี่ยวข้อง เช่น เอนทาลปี) ผ่านแรงเสียดทานภายใน เมื่อมองจากสิ่งรอบข้าง งานเสียดสีดังกล่าวจะปรากฏเป็นงานทางกลที่ทำกับระบบ แต่เมื่อมองจากระบบ ดูเหมือนว่าการถ่ายเทพลังงานเป็นความร้อน เมื่อระบบอยู่ในสภาวะสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ภายใน อุณหภูมิของระบบจะสม่ำเสมอตลอด หากปริมาตรและตัวแปรสถานะอื่นๆ นอกเหนือจากเอนโทรปี คงที่ตลอดกระบวนการ ความร้อนที่ถ่ายเทจะต้องปรากฏเป็นอุณหภูมิและเอนโทรปีที่เพิ่มขึ้น ในสนามโน้มถ่วงที่สม่ำเสมอ ความดันของระบบจะมากกว่าที่ด้านล่าง

ตามคำจำกัดความ ฟังก์ชันพลังงานเชิงคาร์ดินัลที่เกี่ยวข้องจะแตกต่างจากพลังงานศักย์โน้มถ่วงของระบบโดยรวม สิ่งหลังอาจเปลี่ยนแปลงได้เนื่องจากงานความโน้มถ่วงที่ทำโดยสภาพแวดล้อมในระบบ พลังงานศักย์โน้มถ่วงของระบบเป็นส่วนประกอบของพลังงานทั้งหมด ควบคู่ไปกับส่วนประกอบอื่นๆ ได้แก่ พลังงานคาร์ดินัลเทอร์โมไดนามิก (เช่นภายใน) และพลังงานจลน์ของระบบทั้งหมดที่เคลื่อนที่

• เครื่องอัดไฮโดรเจนไฟฟ้าเคมี
• ปฏิกริยาเคมี
• Microstate (กลศาสตร์สถิติ) - รวมถึงคำจำกัดความของงานด้วยกล้องจุลทรรศน์