Quan fa treball un gas?
A la lliçó de Calor i temperatura vam veure que les partícules d'un gas xoquen amb les parets del recipient i produeixen pressió. Si canviem una d'aquestes parets per un pistó que llisca, el gas l'empeny en expandir-se i fa treball sobre ell, com una força que desplaça un cos.
Amb la pressió constant, la força sobre el pistó és \(F = p\,A\), i el producte de l'àrea pel desplaçament \(d\) és la variació de volum. Així arribem a \(\tau = p\,\Delta V\), que en el gràfic \(p \times V\) és l'àrea del rectangle sota la recta horitzontal.
Quan la pressió canvia durant la transformació, dividim el camí en trossets gairebé horitzontals i sumem les àrees. El treball passa a ser l'àrea sota la corba en el gràfic \(p \times V\), i per això depèn del camí entre dos estats, a més del començament i del final.
El signe ens diu qui empeny qui. En l'expansió, \(\Delta V > 0\) i el gas fa treball, \(\tau > 0\); en la compressió, \(\Delta V < 0\), el gas rep treball de fora i \(\tau < 0\). Amb el volum fix, el treball és nul, per gran que sigui la pressió.
Per comentar
- Escalfa el gas a pressió constant fins que el volum arribi a 8 L i comprova el \(\tau\) que es mostra amb \(p \cdot \Delta V\), llegint els valors al gràfic.
- Ara refreda el gas fins al volum inicial. El treball acumulat torna a zero? Quina àrea s'ha descomptat?
- Canvia la pressió amb el pistó aturat. Quina forma té aquest tram al gràfic, i quant treball hi afegeix?
- Torna a començar i porta el gas al mateix estat final per dos camins, primer escalfant i després augmentant la pressió, i després en l'ordre invers. El treball ha estat el mateix?