Yhteenveto

Sisäenergia ja Joulen koe

  • Voiman vaikutuksesta siirtyvää energiaa kutsutaan mekaaniseksi työksi.
  • Työn [[$W$]] suuruus on [[$W=Fs$]], missä [[$F$]] on voima ja [[$s$]] voiman suunnassa kuljettu matka.
  • Systeemin sisäenergiaa voidaan muuttaa tekemällä siihen työtä tai siirtämällä siihen lämpöä (termodynamiikan 1. pääsääntö).
  • Mekaaninen työ siirtyy systeemin rakenneosien liike-energiaksi, mikä ilmenee lämpötilan muutoksena.

Termodynamiikan 1. pääsääntö

Termodynamiikan ensimmäinen pääsääntö ilmaisee energian säilymislain. Sen mukaan systeemin sisäenergia [[$U$]] voi muuttua systeemin ja ympäristön välillä siirtyvän lämmön [[$Q$]] tai systeemiin tehdyn työn [[$W$]] johdosta.

[[$ \qquad \Delta U=Q+W $]]​

Sisäenergia

Systeemin sisäenergian muutos ilmenee lämpötilan tai olomuodon muutoksena. 

Merkkisäännöt

  • Systeemiin siirtyvä lämpö ja systeemin tehty työ ovat positiivisia eli [[$Q>0$]] ja [[$W>0$]].
  • Systeemistä pois siirtyvä lämpö ja ympäristöön tehty työ ovat negatiivisia.
  • Sisäenergian kasvaessa sen muutos on positiivinen eli [[$\Delta U>0$]].

Kaasun tekemä työ

  • Kaasuun tehdään työtä, kun sitä puristetaan kokoon. Laajeneva kaasu tekee työtä ympäristöön. Kaasun sisäenergia muuttuu tehdyn työn verran.
  • Kaasun tilanmuutos voi tapahtua isotermisesti, adiabaattisesti tai niiden välimuotona.
    • Isotermisessä tilanmuutoksessa kaasun lämpötila ja sisäenergia eivät muutu. Kaasusta siirtyvä lämpö ja kaasuun tehty työ kumoavat toisensa. 
    • Adiabaattisessa tilanmuutoksessa kaasu ei menetä lämpöä ympäristöön lainkaan. Lämpötila kuitenkin muuttuu, koska sisäenergia muuttuu tehdyn työn verran.
  • Tilanmuutosprosesseja kuvataan tilavuus–paine-koordinaatistossa tapahtuvina siirtyminä.

Lämpövoimakone

  • Lämpövoimakone muuntaa lämpöä mekaaniseksi työksi.
  • Höyrykone on esimerkki lämpövoimakoneesta.
  • Lämpövoimakoneessa polttoaineella lämmitetään kaasua, jonka laajetessaan tekemää työtä hyödynnetään liikkeen tuottamiseen.
  • Lämpövoimakoneiden suunnittelussa pyritään mahdollisimman hyvään hyötysuhteeseen minimoimalla energiahäviöitä tuotannon eri vaiheissa.