งานทางเทอร์โมไดนามิกเป็นกระบวนการหลักประเภทหนึ่งที่ระบบเทอร์โมไดนามิกสามารถมีปฏิสัมพันธ์และถ่ายโอนพลังงานไปยังสิ่งแวดล้อมได้ ส่งผลให้เกิด แรง มหภาคที่ วัดได้จากภายนอก ต่อสิ่งแวดล้อมของระบบ ซึ่งสามารถก่อให้เกิดงานเชิงกลได้ เช่น การยกน้ำหนัก^{[ 1 ] [ 2 ]}หรือทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในปริมาณแม่เหล็กไฟฟ้าภายนอก^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]}นอกจากนี้ สิ่งแวดล้อมยังสามารถทำงานทางเทอร์โมไดนามิกกับระบบเทอร์โมไดนามิกได้ ซึ่งวัดได้จากเครื่องหมายตรงข้าม

สำหรับงานทางเทอร์โมไดนามิก ปริมาณที่วัดจากภายนอกที่เลือกอย่างเหมาะสมจะตรงกับค่าหรือส่วนร่วมในการเปลี่ยนแปลงของตัวแปรสถานะ ภายในระดับมหภาค ของระบบ ซึ่งมักเกิดขึ้นเป็นคู่กันเสมอ เช่น ความดันและปริมาตร^{[ 1 ]}หรือความหนาแน่นของฟลักซ์แม่เหล็กและการทำให้เป็นแม่เหล็ก^{[ 4 ]}

ในระบบหน่วยสากล (SI) งานจะวัดเป็นจูล (สัญลักษณ์ J) อัตราการทำงานเรียกว่ากำลัง ซึ่ง วัดเป็นจูลต่อวินาที และใช้หน่วยวัตต์ (W)

งาน หรือ "น้ำหนักที่ถูกยกขึ้นสู่ที่สูง" นั้น เดิมทีได้รับการนิยามไว้ในปี ค.ศ. 1824 โดยซาดี การ์โนต์ในบทความที่มีชื่อเสียงของเขาเรื่อง "ข้อคิดเกี่ยวกับการขับเคลื่อนของไฟ" (Reflections on the Motive Power of Fire ) ซึ่งเขาใช้คำว่า " กำลังขับเคลื่อน" (motive power)แทนคำว่า งาน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ตามที่การ์โนต์กล่าวไว้ว่า:

ในที่นี้เราใช้คำว่า "กำลังขับเคลื่อน" เพื่อแสดงถึงผลดีที่มอเตอร์สามารถสร้างขึ้นได้ ผลดีนี้สามารถเปรียบได้กับการยกน้ำหนักขึ้นไปที่ความสูงระดับหนึ่ง ซึ่งอย่างที่เราทราบกันดีว่า กำลังขับเคลื่อนนั้นวัดได้จากผลคูณของน้ำหนักกับความสูงที่ยกขึ้นไป

ในปี พ.ศ. 2388 นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษเจมส์ จูลได้เขียนบทความเรื่อง "เกี่ยวกับค่าเทียบเท่าเชิงกลของความร้อน"สำหรับการประชุมสมาคมอังกฤษใน เค มบริดจ์^{[ 6 ]}ในบทความนี้ เขาได้รายงานการทดลองที่เป็นที่รู้จักมากที่สุดของเขา ซึ่งพลังงานเชิงกลที่ปล่อยออกมาจากการกระทำของ "น้ำหนักที่ตกลงมาจากความสูง" ถูกนำมาใช้เพื่อหมุนกงล้อในถังน้ำที่หุ้มฉนวน

ในการทดลองนี้ การเคลื่อนที่ของใบพัดทำให้เกิดการกวนและการเสียดทานส่ง ผลให้ น้ำร้อนขึ้นจนอุณหภูมิเพิ่มขึ้นมีการ บันทึก การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิน้ำและความสูงของการตกของน้ำหนักโดยใช้ค่าเหล่านี้ จูลสามารถหาค่าเทียบเท่าเชิงกลของความร้อนได้ จูลประมาณค่าเทียบเท่าเชิงกลของความร้อนไว้ที่ 819 ฟุต•ปอนด์/บีทียู (4.41 จูล/แคลอรี) นิยามของความร้อน งาน อุณหภูมิ และพลังงาน ในปัจจุบัน ล้วนมีความเชื่อมโยงกับการทดลองนี้ ในการจัดวางอุปกรณ์เช่นนี้ กระบวนการจะไม่เกิดขึ้นในทิศทางตรงกันข้าม กล่าวคือ น้ำจะไม่เป็นตัวขับเคลื่อนใบพัดเพื่อยกน้ำหนักขึ้น แม้เพียงเล็กน้อย งานเชิงกลเกิดขึ้นจากอุปกรณ์ที่ประกอบด้วยน้ำหนักตก รอก และใบพัด ซึ่งอยู่ในบริเวณน้ำ การเคลื่อนที่ของอุปกรณ์เหล่านี้แทบไม่มีผลต่อปริมาตรของน้ำ ปริมาณงานเชิงกลที่วัดได้จากแรง × ระยะทางในบริเวณรอบๆ ที่ไม่เปลี่ยนแปลงปริมาตรของน้ำ เรียกว่า งานปริมาตรคงที่ (isochoric) งานดังกล่าวส่งผลต่อระบบในรูปของแรงเสียดทาน ผ่านกลไกในระดับจุลภาค และเป็นกระบวนการที่ไม่สามารถย้อนกลับได้จึงไม่นับรวมเป็นงานทางเทอร์โมไดนามิก พลังงานที่เกิดจากการตกของน้ำหนักจะเปลี่ยนเป็นความร้อนที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ในน้ำ ${\displaystyle \Delta T}$${\displaystyle \Delta h}$${\displaystyle mg}$

แนวคิดในอุดมคติเกี่ยวกับงานและความร้อนที่ผันกลับได้นั้น ได้รับการพัฒนาขึ้นในบทความทางวิทยาศาสตร์โดยรูดอล์ฟ คลอซิอุส ระหว่างปี 1850-1865 ความร้อนที่ผันกลับได้ซึ่งนิยามโดยคลอซิอุสนั้น ไม่ได้อิงตามแคลอรีเมตรี ซึ่งเป็นเทคนิคที่ไม่สามารถผันกลับได้

หลักการพื้นฐานที่สำคัญของอุณหพลศาสตร์คือการอนุรักษ์พลังงานพลังงานทั้งหมดของระบบคือผลรวมของพลังงานภายใน พลังงานศักยภาพของระบบโดยรวมภายใต้แรงภายนอก เช่น แรงโน้มถ่วง และพลังงานจลน์ของระบบโดยรวมขณะเคลื่อนที่ อุณหพลศาสตร์ให้ความสนใจเป็นพิเศษกับการถ่ายโอนพลังงานจากวัตถุ เช่น กระบอกไอน้ำ ไปยังสิ่งแวดล้อมรอบวัตถุ โดยกลไกที่วัตถุออกแรงระดับมหภาคต่อสิ่งแวดล้อมเพื่อยกน้ำหนักขึ้น กลไกเหล่านี้เรียกว่ากลไกที่ทำให้เกิดงาน ทางอุณหพลศาสตร์

นอกจากการถ่ายโอนพลังงานในรูปของงานแล้ว อุณหพลศาสตร์ยังยอมรับการถ่ายโอนพลังงานในรูปของความร้อนด้วย สำหรับกระบวนการใน ระบบอุณหพลศาสตร์ แบบปิด (ไม่มีการถ่ายโอนสสาร) กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์จะเชื่อมโยงการเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายใน (หรือฟังก์ชันพลังงานหลัก อื่นๆ ขึ้นอยู่กับเงื่อนไขของการถ่ายโอน) ของระบบกับโหมดการถ่ายโอนพลังงานทั้งสองแบบ คือ ในรูปของงานและในรูปของความร้อน งานแบบอะเดียแบติกเกิดขึ้นโดยไม่มีการถ่ายโอนสสารและไม่มีการถ่ายโอนความร้อน โดยหลักการแล้ว ในอุณหพลศาสตร์ สำหรับกระบวนการในระบบปิด ปริมาณความร้อนที่ถ่ายโอนจะถูกกำหนดโดยปริมาณของงานแบบอะเดียแบติกที่จำเป็นในการทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในระบบที่เกิดจากการถ่ายโอนความร้อน ในทางปฏิบัติเชิงทดลอง การถ่ายโอนความร้อนมักจะถูกประมาณโดยวิธีแคลอริเมตริก ผ่านการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของสาร แคลอริเมตริก ปริมาณที่ทราบ

พลังงานสามารถถ่ายโอนเข้าหรือออกจากระบบได้ผ่านการถ่ายโอนสสาร ความเป็นไปได้ของการถ่ายโอนดังกล่าวทำให้ระบบนั้นเป็นระบบเปิด ตรงข้ามกับระบบปิด ตามนิยามแล้ว การถ่ายโอนดังกล่าวไม่ใช่ทั้งงานหรือความร้อน

การเปลี่ยนแปลงของพลังงานศักยภาพของวัตถุโดยรวมเมื่อเทียบกับแรงในสิ่งแวดล้อม และการเปลี่ยนแปลงของพลังงานจลน์ของวัตถุที่เคลื่อนที่โดยรวมเมื่อเทียบกับสิ่งแวดล้อมนั้น ตามนิยามแล้วจะไม่นับรวมอยู่ในพลังงานหลักของวัตถุ (ตัวอย่างเช่น พลังงานภายในและเอนทาลปี)

ในสภาพแวดล้อมของระบบเทอร์โมไดนามิกส์ภายนอกนั้น รูปแบบงานระดับมหภาคเชิงกลและไม่ใช่เชิงกลต่างๆ สามารถแปลงเป็นกันและกันได้โดยไม่มีข้อจำกัดใดๆ ตามหลักการเนื่องจากกฎของเทอร์โมไดนามิกส์ดังนั้นประสิทธิภาพการแปลงพลังงาน จึง สามารถเข้าใกล้ 100% ในบางกรณี การแปลงดังกล่าวจำเป็นต้องปราศจากแรงเสียดทาน และด้วยเหตุนี้จึงเป็นกระบวนการอะเดียแบติก [ ^{7 ] โดย}เฉพาะอย่างยิ่ง ตามหลักการแล้ว รูปแบบงานระดับมหภาคทั้งหมดสามารถแปลงเป็นงานเชิงกลของการยกน้ำหนัก ซึ่งเป็นรูปแบบดั้งเดิมของงานเทอร์โมไดนามิกส์ที่คาร์โนต์และจูลพิจารณา (ดูส่วนประวัติข้างต้น) ผู้เขียนบางคนได้พิจารณาความเท่าเทียมกันของการยกน้ำหนักนี้ว่าเป็นลักษณะเฉพาะของงาน^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]}ตัวอย่างเช่น ในอุปกรณ์การทดลองของจูล ซึ่งใช้รอกในการเคลื่อนย้ายน้ำหนักที่ตกลงมาในสภาพแวดล้อมเพื่อขับเคลื่อนการกวนระบบเทอร์โมไดนามิก การตกลงมาของน้ำหนักสามารถเบี่ยงเบนได้โดยการจัดเรียงรอกใหม่ เพื่อให้น้ำหนักนั้นยกน้ำหนักอีกอันหนึ่งในสภาพแวดล้อมแทนที่จะกวนระบบเทอร์โมไดนามิก

การแปลงพลังงานดังกล่าวอาจถูกมองในอุดมคติว่าแทบไม่มีแรงเสียดทานเลย แม้ว่าจะเกิดขึ้นค่อนข้างเร็วก็ตาม โดยปกติแล้วจะเกิดขึ้นผ่านอุปกรณ์ที่ไม่ใช่ระบบเทอร์โมไดนามิกอย่างง่าย (ระบบเทอร์โมไดนามิกอย่างง่ายคือวัตถุที่เป็นเนื้อเดียวกันของสารประกอบ) ตัวอย่างเช่น การที่น้ำหนักตกลงมาในการทดลองกวนของจูลจะลดพลังงานรวมของน้ำหนักลง ซึ่งอธิบายได้ว่าเป็นการสูญเสียพลังงานศักย์โน้มถ่วงของน้ำหนัก เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงตำแหน่งมหภาคในสนามโน้มถ่วง ตรงกันข้ามกับการสูญเสียพลังงานภายในของน้ำหนักเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงเอนโทรปี ปริมาตร และองค์ประกอบทางเคมี แม้ว่าจะเกิดขึ้นค่อนข้างเร็ว แต่เนื่องจากพลังงานยังคงสามารถนำไปใช้เป็นงานได้เกือบทั้งหมดในรูปแบบใดรูปแบบหนึ่ง การเบี่ยงเบนงานไปยังสิ่งแวดล้อมดังกล่าวจึงอาจถูกมองในอุดมคติว่าสามารถย้อนกลับได้เกือบทั้งหมด หรือมีประสิทธิภาพเกือบสมบูรณ์แบบ

ในทางตรงกันข้าม การแปลงความร้อนเป็นงานในเครื่องยนต์ความร้อนไม่สามารถเกินประสิทธิภาพของคาร์โนต์ ได้ เลย อันเป็นผลมาจากกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์การแปลงพลังงานดังกล่าว ผ่านงานที่ทำได้อย่างรวดเร็วในเครื่องยนต์ความร้อนในทางปฏิบัติ โดยระบบทางอุณหพลศาสตร์ต่อสิ่งแวดล้อม ไม่สามารถทำให้เป็นอุดมคติได้ แม้แต่ในเชิงใกล้เคียง ว่าเป็นกระบวนการผันกลับได้

งานทางเทอร์โมไดนามิกที่ระบบเทอร์โมไดนามิกกระทำต่อสิ่งแวดล้อมนั้นถูกกำหนดขึ้นเพื่อให้สอดคล้องกับหลักการนี้ ในอดีต เทอร์โมไดนามิกส์มุ่งเน้นไปที่ว่าระบบเทอร์โมไดนามิกส์สามารถทำงานต่อสิ่งแวดล้อมได้อย่างไร

งานทางเทอร์โมไดนามิกและงานเชิงกลทั่วไปนั้นแตกต่างกัน งานทางเทอร์โมไดนามิกถูกกำหนดโดยการเปลี่ยนแปลงของตัวแปรสถานะภายในของระบบเทอร์โมไดนามิก เช่น ปริมาตร การโพลาไรซ์ทางไฟฟ้า และการทำให้เป็นแม่เหล็ก แต่ไม่รวมอุณหภูมิและเอนโทรปี^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]}งานเชิงกลทั่วไปรวมถึงงานที่ทำโดยการอัดเช่นเดียวกับงานของเพลา การกวน และการถู แต่ งานของเพลา การกวน และการถู ไม่ถือเป็นงานทางเทอร์โมไดนามิก เนื่องจากไม่ทำให้ปริมาตรของระบบเปลี่ยนแปลง แม้ว่าจะทำให้อุณหภูมิหรือเอนโทรปีของระบบเปลี่ยนแปลงก็ตาม งานที่ไม่มีการเปลี่ยนแปลงปริมาตรเรียกว่า งาน ไอโซโคริกเช่น เมื่อแรงเสียดทานกระทำบนพื้นผิวหรือภายในระบบ

ในกระบวนการถ่ายโอนพลังงานจากหรือไปยังระบบเทอร์โมไดนามิก การเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในของระบบจะถูกกำหนดในทางทฤษฎีโดยปริมาณงานอะเดียแบติกที่จำเป็นในการไปถึงสถานะสุดท้ายจากสถานะเริ่มต้น โดยงานอะเดียแบติกดังกล่าวสามารถวัดได้เฉพาะผ่านตัวแปรทางกลหรือการเปลี่ยนรูปที่วัดได้จากภายนอกของระบบ ซึ่งให้ข้อมูลที่ครบถ้วนเกี่ยวกับแรงที่สิ่งแวดล้อมกระทำต่อระบบในระหว่างกระบวนการ ในกรณีของการวัดบางส่วนของจูล กระบวนการถูกจัดเรียงเพื่อให้ความร้อนบางส่วนที่เกิดขึ้นภายนอกระบบ (ในเนื้อของใบพัด) โดยกระบวนการเสียดทานยังนำไปสู่การถ่ายเทความร้อนจากใบพัดเข้าสู่ระบบในระหว่างกระบวนการด้วย ดังนั้นปริมาณงานที่สิ่งแวดล้อมกระทำต่อระบบจึงสามารถคำนวณได้เป็นงานเพลา ซึ่งเป็นตัวแปรทางกลภายนอก^{[ 15 ] [ 16 ]}

ปริมาณพลังงานที่ถ่ายโอนในรูปของงานทางเทอร์โมไดนามิกนั้นวัดได้จากปริมาณที่กำหนดจากภายนอกระบบที่สนใจ ซึ่งเป็นของสิ่งแวดล้อมรอบข้าง แต่สอดคล้องกับตัวแปรสถานะภายในของระบบ เช่น ความดัน ตามหลักการกำหนดเครื่องหมายที่สำคัญ ซึ่งเป็นที่นิยมในวิชาเคมีและนักฟิสิกส์หลายคน งานทางเทอร์โมไดนามิกที่เพิ่มพลังงานภายในของระบบจะนับเป็นค่าบวก ในทางกลับกัน ด้วยเหตุผลทางประวัติศาสตร์ หลักการกำหนดเครื่องหมายที่พบได้บ่อยและเป็นที่นิยมในวิชาฟิสิกส์ คือการพิจารณางานทางเทอร์โมไดนามิกที่ระบบกระทำต่อสิ่งแวดล้อมรอบข้างว่าเป็นค่าบวก

การถ่ายโอนพลังงานความร้อนผ่านการสัมผัสโดยตรงระหว่างระบบปิดกับสิ่งแวดล้อม เกิดขึ้นจากการเคลื่อนที่ทางความร้อนระดับจุลภาคของอนุภาคและพลังงานศักย์ระหว่างโมเลกุลที่เกี่ยวข้อง^{[ 17 ]}คำอธิบายระดับจุลภาคของกระบวนการดังกล่าวเป็นขอบเขตของกลศาสตร์เชิงสถิติ ไม่ใช่ของอุณหพลศาสตร์ระดับมหภาค การถ่ายโอนพลังงานอีกประเภทหนึ่งที่ไม่มีงานทางอุณหพลศาสตร์คือการแผ่รังสีความร้อน^{[ 18 ] [ 19 ]}การถ่ายโอนพลังงานโดยการแผ่รังสีนั้นไม่สามารถย้อนกลับได้ในแง่ที่ว่ามันเกิดขึ้นจากระบบที่ร้อนกว่าไปยังระบบที่เย็นกว่าเท่านั้น มีการถ่ายโอนพลังงานแบบกระจายหลายรูปแบบที่สามารถเกิดขึ้นภายในระบบในระดับจุลภาค เช่นแรงเสียดทานรวมถึงความหนืดแบบปริมาตรและความหนืด เฉือน ^{[ 20 ]} ปฏิกิริยาเคมี^{[ 3 ]}การขยายตัวที่ไม่จำกัด เช่นการขยายตัวของจูลและการแพร่และการเปลี่ยนแปลงเฟส^{[ 3 ]}

สำหรับระบบเปิด กฎข้อแรกของเทอร์โมไดนามิกส์ยอมรับการถ่ายโอนพลังงานได้สามรูปแบบ คือ งาน ความร้อน และพลังงานที่เกี่ยวข้องกับสสารที่ถูกถ่ายโอน ซึ่งพลังงานที่เกี่ยวข้องกับสสารนั้นไม่สามารถแยกออกเป็นส่วนประกอบของความร้อนและงานได้อย่างชัดเจน

การพาความร้อนทางเดียวของพลังงานภายในเป็นการขนส่งพลังงานรูปแบบหนึ่ง แต่ไม่ใช่การถ่ายโอนพลังงานในรูปของความร้อนอย่างที่บางครั้งเข้าใจผิด (ซึ่งเป็นผลพวงจากทฤษฎีความร้อนแบบแคลอรี ) เพราะการพาความร้อนทางเดียวเป็นการถ่ายโอนสสาร และไม่ใช่การถ่ายโอนพลังงานในรูปของงาน อย่างไรก็ตาม หากผนังระหว่างระบบกับสิ่งแวดล้อมมีความหนาและมีของเหลวอยู่ภายใน ในสภาวะที่มีสนามโน้มถ่วง การไหลเวียนแบบพาความร้อนภายในผนังสามารถพิจารณาได้ว่าเป็นการถ่ายโอนพลังงานในรูปของความร้อนระหว่างระบบกับสิ่งแวดล้อมโดยอ้อม แม้ว่าแหล่งกำเนิดและปลายทางของพลังงานที่ถ่ายโอนจะไม่สัมผัสกันโดยตรงก็ตาม

เพื่อวัตถุประสงค์ในการคำนวณทางทฤษฎีเกี่ยวกับระบบเทอร์โมไดนามิก เราสามารถจินตนาการถึง "กระบวนการ" เทอร์โมไดนามิกในอุดมคติที่เกิดขึ้นอย่างช้าๆ จนไม่ก่อให้เกิดแรงเสียดทานภายในหรือบนพื้นผิวของระบบ ดังนั้นจึงถือได้ว่ากระบวนการเหล่านี้สามารถย้อนกลับได้ในทางปฏิบัติ กระบวนการสมมติเหล่านี้ดำเนินไปตามเส้นทางบนพื้นผิวทางเรขาคณิตที่อธิบายได้อย่างแม่นยำโดยสมการลักษณะเฉพาะของระบบเทอร์โมไดนามิก พื้นผิวทางเรขาคณิตเหล่านั้นคือตำแหน่งของสถานะสมดุลเทอร์โมไดนามิก ที่เป็นไปได้ สำหรับระบบ กระบวนการเทอร์โมไดนามิกที่เป็นไปได้จริง ซึ่งเกิดขึ้นในอัตราที่ใช้งานได้จริง แม้ว่าจะเกิดขึ้นโดยงานที่ประเมินในสิ่งแวดล้อมว่าเป็นแบบอะเดียแบติก โดยไม่มีการถ่ายเทความร้อน ก็ยังคงก่อให้เกิดแรงเสียดทานภายในระบบเสมอ ดังนั้นจึงไม่สามารถย้อนกลับได้เสมอ เส้นทางของกระบวนการที่เป็นไปได้จริงดังกล่าวจะเบี่ยงเบนออกจากพื้นผิวลักษณะเฉพาะทางเรขาคณิตเหล่านั้นเสมอ แม้ว่าจะเกิดขึ้นโดยงานที่ประเมินในสิ่งแวดล้อมว่าเป็นแบบอะเดียแบติก โดยไม่มีการถ่ายเทความร้อน การเบี่ยงเบนดังกล่าวก็ยังนำไปสู่การ ผลิตเอนโทรปี เสมอ

นิยามของงานทางเทอร์โมไดนามิกส์นั้นขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนแปลงของตัวแปรสถานะการเสียรูปอย่างกว้างขวางของระบบ^{[ 21 ]} (และองค์ประกอบทางเคมีและตัวแปรสถานะอื่นๆ บางประการ) เช่น ปริมาตร องค์ประกอบทางเคมีโมลาร์ หรือการโพลาไรเซชันทางไฟฟ้า ตัวอย่างของตัวแปรสถานะที่ไม่ใช่การเสียรูปอย่างกว้างขวางหรือตัวแปรอื่นๆ เช่น อุณหภูมิTและเอนโทรปีSเช่น ในนิพจน์U = U ( S , V , { N _j })การเปลี่ยนแปลงของตัวแปรดังกล่าวไม่สามารถวัดได้จริงทางกายภาพโดยใช้กระบวนการเทอร์โมไดนามิกส์แบบอะเดียแบติกอย่างง่ายเพียงกระบวนการเดียว พวกมันเป็นกระบวนการที่ไม่ได้เกิดขึ้นจากงานทางเทอร์โมไดนามิกส์หรือการถ่ายโอนสสาร ดังนั้นจึงกล่าวได้ว่าเกิดขึ้นจากการถ่ายโอนความร้อน ปริมาณของงานทางเทอร์โมไดนามิกส์ถูกกำหนดให้เป็นงานที่ระบบทำกับสิ่งแวดล้อม ตามกฎข้อที่สองของเทอร์โมไดนามิกส์งานดังกล่าวไม่สามารถย้อนกลับได้ เพื่อให้ได้การวัดทางกายภาพที่แท้จริงและแม่นยำของปริมาณงานทางเทอร์โมไดนามิก จำเป็นต้องคำนึงถึงความไม่สามารถย้อนกลับได้โดยการคืนระบบให้กลับสู่สภาวะเริ่มต้นโดยการดำเนินวัฏจักร เช่นวัฏจักรคาร์โนต์ซึ่งรวมถึงงานเป้าหมายเป็นขั้นตอน งานที่ระบบทำกับสิ่งแวดล้อมจะคำนวณจากปริมาณที่ประกอบเป็นวัฏจักรทั้งหมด^{[ 22 ]}จำเป็นต้องใช้วัฏจักรที่แตกต่างกันเพื่อวัดงานที่สิ่งแวดล้อมทำกับระบบอย่างแท้จริง นี่เป็นการเตือนว่าการถูพื้นผิวของระบบปรากฏต่อตัวแทนการถูในสิ่งแวดล้อมว่าเป็นงานเชิงกล แม้ว่าจะไม่ใช่งานทางเทอร์โมไดนามิกที่ทำกับระบบ ไม่ใช่ความร้อน แต่ปรากฏต่อระบบว่าเป็นความร้อนที่ถ่ายโอนไปยังระบบ ไม่ใช่งานทางเทอร์โมไดนามิก การผลิตความร้อนโดยการถูนั้นไม่สามารถย้อนกลับได้^{[ 23 ]}ในทางประวัติศาสตร์ มันเป็นหลักฐานชิ้นหนึ่งสำหรับการปฏิเสธทฤษฎีแคลอรีของความร้อนในฐานะสารอนุรักษ์^{[ 24 ]}กระบวนการที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ที่เรียกว่าความร้อนจูลยังเกิดขึ้นผ่านการเปลี่ยนแปลงของตัวแปรสถานะที่กว้างขวางที่ไม่เกิดการเสียรูป

ดังนั้น ตามความเห็นของ Lavenda งานจึงไม่ใช่แนวคิดดั้งเดิมเหมือนความร้อน ซึ่งสามารถวัดได้ด้วยแคลอริเมตรี^{[ 25 ]}ความเห็นนี้ไม่ได้ปฏิเสธคำจำกัดความทางเทอร์โมไดนามิกของความร้อนตามธรรมเนียม ในปัจจุบัน ในแง่ของงานอะเดียแบติก

เป็นที่รู้จักกันในชื่อการดำเนินการทางเทอร์โมไดนามิกปัจจัยเริ่มต้นของกระบวนการทางเทอร์โมไดนามิกในหลายกรณีคือการเปลี่ยนแปลงการซึมผ่านของผนังระหว่างระบบกับสิ่งแวดล้อม การถูไม่ใช่การเปลี่ยนแปลงการซึมผ่านของผนัง คำกล่าวของเคลวินเกี่ยวกับกฎข้อที่สองของเทอร์โมไดนามิกใช้แนวคิดของ "ตัวแทนวัสดุที่ไม่มีชีวิต" แนวคิดนี้บางครั้งถูกมองว่าน่าสับสน^{[ 26 ]}การกระตุ้นกระบวนการถูสามารถเกิดขึ้นได้เฉพาะในสิ่งแวดล้อมเท่านั้น ไม่ใช่ในระบบเทอร์โมไดนามิกที่อยู่ในสถานะสมดุลทางเทอร์โมไดนามิกภายใน การกระตุ้นดังกล่าวอาจอธิบายได้ว่าเป็นการดำเนินการทางเทอร์โมไดนามิก

ในทางเทอร์โมไดนามิกส์ ปริมาณงานที่ระบบปิดกระทำต่อสิ่งแวดล้อมโดยรอบนั้น ถูกกำหนดโดยปัจจัยที่จำกัดอยู่เฉพาะบริเวณรอยต่อระหว่างสิ่งแวดล้อมกับระบบ และสิ่งแวดล้อมของระบบเอง เช่น สนามโน้มถ่วงที่แผ่ขยายออกไปซึ่งระบบตั้งอยู่ กล่าวคือ สิ่งต่างๆ ที่อยู่นอกระบบ

ประเด็นสำคัญอย่างหนึ่งของอุณหพลศาสตร์คือคุณสมบัติของวัสดุ งานทางอุณหพลศาสตร์ถูกกำหนดขึ้นเพื่อใช้ในการคำนวณทางอุณหพลศาสตร์เกี่ยวกับวัตถุที่เรียกว่าระบบทางอุณหพลศาสตร์ ดังนั้น งานทางอุณหพลศาสตร์จึงถูกกำหนดในแง่ของปริมาณที่อธิบายสถานะของวัสดุ ซึ่งปรากฏในรูปของตัวแปรสถานะทางอุณหพลศาสตร์ทั่วไป เช่น ปริมาตร ความดัน อุณหภูมิ องค์ประกอบทางเคมี และการโพลาไรซ์ทางไฟฟ้า ตัวอย่างเช่น ในการวัดความดันภายในระบบจากภายนอก ผู้สังเกตการณ์จำเป็นต้องมีผนังที่สามารถเคลื่อนที่ได้ในปริมาณที่วัดได้ตามความแตกต่างของความดันระหว่างภายในระบบกับสิ่งแวดล้อม ในแง่นี้ ส่วนหนึ่งของคำจำกัดความของระบบทางอุณหพลศาสตร์คือลักษณะของผนังที่ล้อมรอบระบบนั้น

งานทางเทอร์โมไดนามิกหลายประเภทมีความสำคัญเป็นพิเศษ ตัวอย่างง่ายๆ อย่างหนึ่งคือ งานความดัน-ปริมาตร ความดันที่เกี่ยวข้องคือความดันที่สิ่งแวดล้อมกระทำต่อพื้นผิวของระบบ และปริมาตรที่สนใจคือค่าลบของปริมาตรที่เพิ่มขึ้นของระบบจากสิ่งแวดล้อม โดยปกติแล้ว ความดันที่สิ่งแวดล้อมกระทำต่อพื้นผิวของระบบจะถูกกำหนดไว้อย่างชัดเจนและเท่ากับความดันที่ระบบกระทำต่อสิ่งแวดล้อม การจัดเตรียมสำหรับการถ่ายโอนพลังงานในรูปของงานนี้สามารถเปลี่ยนแปลงได้ในลักษณะเฉพาะที่ขึ้นอยู่กับลักษณะเชิงกลอย่างเคร่งครัดของงานความดัน-ปริมาตร การเปลี่ยนแปลงประกอบด้วยการปล่อยให้การเชื่อมต่อระหว่างระบบและสิ่งแวดล้อมเป็นไปผ่านแท่งแข็งที่เชื่อมต่อลูกสูบที่มีพื้นที่ต่างกันสำหรับระบบและสิ่งแวดล้อม จากนั้นสำหรับปริมาณงานที่ถ่ายโอนที่กำหนด การแลกเปลี่ยนปริมาตรจะเกี่ยวข้องกับความดันที่แตกต่างกัน ผกผันกับพื้นที่ของลูกสูบ สำหรับสมดุลเชิงกลสิ่งนี้ไม่สามารถทำได้สำหรับการถ่ายโอนพลังงานในรูปของความร้อนเนื่องจากลักษณะที่ไม่ใช่เชิงกล^{[ 27 ]}

งานอีกประเภทหนึ่งที่สำคัญคือ งานไอโซโคริก กล่าวคือ งานที่ไม่ทำให้ปริมาตรโดยรวมของระบบเปลี่ยนแปลงไประหว่างสถานะเริ่มต้นและสถานะสุดท้ายของกระบวนการ ตัวอย่างเช่น แรงเสียดทานบนพื้นผิวของระบบดังเช่นในการทดลองของรัมฟอร์ด งานของเพลาเช่นในการทดลองของจูล การกวนระบบด้วยใบพัดแม่เหล็กภายในระบบ ซึ่งถูกขับเคลื่อนด้วยสนามแม่เหล็กที่เคลื่อนที่จากสิ่งแวดล้อม และการสั่นสะเทือนของระบบที่ทำให้ปริมาตรสุดท้ายไม่เปลี่ยนแปลง แต่เกี่ยวข้องกับแรงเสียดทานภายในระบบ งานเชิงกลไอโซโคริกสำหรับวัตถุที่อยู่ในสภาวะสมดุลทางเทอร์โมไดนามิกภายในนั้น เกิดขึ้นจากสิ่งแวดล้อมที่กระทำต่อวัตถุเท่านั้น ไม่ใช่จากวัตถุที่กระทำต่อสิ่งแวดล้อม ดังนั้น เครื่องหมายของงานเชิงกลไอโซโคริกตามหลักการกำหนดเครื่องหมายทางฟิสิกส์จึงเป็นลบเสมอ

เมื่อมีการทำงาน เช่น งานที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงปริมาตรและความดัน กระทำต่อสิ่งแวดล้อมโดยระบบปิดที่ไม่สามารถถ่ายเทความร้อนเข้าหรือออกได้เนื่องจากถูกจำกัดด้วยผนังฉนวนความร้อน งานนั้นจะเรียกว่าเป็นงานฉนวนความร้อนสำหรับระบบและสิ่งแวดล้อม เมื่อสิ่งแวดล้อมทำงานเชิงกลต่อระบบปิดที่เป็นฉนวนความร้อนเช่นนี้ อาจเกิดขึ้นได้ว่าแรงเสียดทานในสิ่งแวดล้อมนั้นน้อยมาก ตัวอย่างเช่น ในการทดลองของจูลที่ใช้ตุ้มน้ำหนักตกลงมาเพื่อขับเคลื่อนใบพัดที่กวนระบบ งานดังกล่าวเป็นงานฉนวนความร้อนสำหรับสิ่งแวดล้อม แม้ว่าจะเกี่ยวข้องกับแรงเสียดทานภายในระบบก็ตาม งานดังกล่าวอาจเป็นงานปริมาตรคงที่สำหรับระบบหรือไม่ก็ได้ ขึ้นอยู่กับระบบและผนังที่จำกัด หากเป็นงานปริมาตรคงที่สำหรับระบบ (และไม่เปลี่ยนแปลงตัวแปรสถานะอื่น ๆ ของระบบ เช่น การทำให้เป็นแม่เหล็ก) มันจะปรากฏเป็นการถ่ายเทความร้อนไปยังระบบ และจะไม่ปรากฏเป็นงานฉนวนความร้อนสำหรับระบบ

ในประวัติศาสตร์ยุคแรกของเทอร์โมไดนามิกส์ ปริมาณงานที่เป็นบวกที่ระบบทำกับสิ่งแวดล้อมจะนำไปสู่การสูญเสียพลังงานจากระบบ ธรรมเนียมการใช้เครื่องหมายทางประวัติศาสตร์นี้ถูกนำมาใช้ในตำราฟิสิกส์หลายเล่มและถูกนำมาใช้ในบทความนี้^{[ 28 ]}

ตามกฎข้อแรกของเทอร์โมไดนามิกส์สำหรับระบบปิด การเปลี่ยนแปลงสุทธิใดๆ ในพลังงานภายในUจะต้องได้รับการอธิบายอย่างครบถ้วนในแง่ของความร้อนQที่เข้าสู่ระบบและงานWที่ระบบทำ: ^{[ 17 ]}

${\displaystyle \Delta U=QW.\;}$^{[ 29 ]}

ข้อตกลงเรื่องเครื่องหมายอีกแบบหนึ่งคือการพิจารณางานที่กระทำต่อระบบโดยสิ่งแวดล้อมว่าเป็นบวก ซึ่งนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงเครื่องหมายของงาน ดังนั้นข้อตกลงนี้ถูกใช้ในวิชาเคมีมาโดยตลอด และได้รับการยอมรับจากตำราฟิสิกส์ส่วนใหญ่^{[ 28 ] [ 30 ] [ 31 ] [ 32 ]}${\displaystyle \Delta U=Q+W}$

สมการนี้สะท้อนให้เห็นว่าความร้อนที่ถ่ายเทและงานที่ทำนั้นไม่ใช่คุณสมบัติของสถานะของระบบ เมื่อพิจารณาเฉพาะสถานะเริ่มต้นและสถานะสุดท้ายของระบบแล้ว เราสามารถบอกได้เพียงว่าการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในทั้งหมดคืออะไร ไม่ใช่ว่าพลังงานส่วนใดออกไปเป็นความร้อนและส่วนใดเป็นงาน ซึ่งสามารถสรุปได้ว่าความร้อนและงานไม่ใช่ฟังก์ชันสถานะของระบบ^{[ 17 ]} ซึ่งแตกต่างจากกลศาสตร์คลาสสิกที่งานสุทธิที่อนุภาคกระทำเป็นฟังก์ชันสถานะ

งานที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงความดันและปริมาตร (หรือPVหรือ งาน P - V ) เกิดขึ้นเมื่อปริมาตรVของระบบเปลี่ยนแปลง งาน PVมักวัดในหน่วยลิตร-บรรยากาศ โดยที่1 ลิตร-บรรยากาศ = 101.325 จูลอย่างไรก็ตาม ลิตร-บรรยากาศไม่ใช่หน่วยที่ได้รับการยอมรับในระบบหน่วย SI ซึ่งวัดความดันในหน่วยปาสคาล (Pa) ปริมาตร ในหน่วยลูกบาศก์เมตร ( m³ ⁾และความดันในหน่วยจูล (J) โดยที่ 1 จูล = 1 Pa·m³ ^งาน PV เป็นหัวข้อสำคัญใน อุณห พลศาสตร์ เคมี

สำหรับกระบวนการในระบบปิดที่เกิดขึ้นช้าพอที่จะกำหนดความดันภายในผนังของระบบที่เคลื่อนที่และส่งแรงไปยังสิ่งแวดล้อมได้อย่างแม่นยำ ซึ่งเรียกว่ากึ่งสถิต [ ^{33 ] [ 34 ]} งานจะแสดงด้วยสมการระหว่าง อนุพันธ์ดังต่อไป^นี้ :

$${\displaystyle \เดลต้า W=P\,dV}$$ ที่ไหน

• ${\displaystyle \delta W}$( อนุพันธ์ไม่แม่นยำ ) หมายถึงการเพิ่มขึ้นเล็กน้อยของงานที่ระบบทำโดยถ่ายโอนพลังงานไปยังสิ่งแวดล้อม
• ${\displaystyle P}$แสดงถึงแรงดันภายในระบบที่กระทำต่อผนังที่เคลื่อนที่ซึ่งส่งแรงไปยังสิ่งแวดล้อม^{[ 35 ]}ในข้อกำหนดเครื่องหมายทางเลือก ด้านขวามือจะมีเครื่องหมายลบ^{[ 32 ]}
• ${\displaystyle dV}$( อนุพันธ์ที่แม่นยำ ) หมายถึงการเพิ่มขึ้นเล็กน้อยของปริมาตรของระบบ

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

กฎข้อแรกของเทอร์โมไดนามิกส์สามารถแสดงได้ดังนี้^{[ 17 ]}$${\displaystyle dU=\เดลต้า Q-PdV\,.}$$

(ในข้อกำหนดเครื่องหมายทางเลือกที่W = งานที่ทำกับระบบอย่างไรก็ตาม ยังคงไม่เปลี่ยนแปลง) ${\displaystyle \เดลต้า W=-P\,dV}$${\displaystyle dU=\เดลต้า QP\,dV}$

งาน PV ขึ้นอยู่กับเส้นทางและดังนั้นจึงเป็นฟังก์ชันกระบวนการทาง เทอร์โมไดนามิก โดยทั่วไปแล้ว เทอมนี้ไม่ใช่ อนุพันธ์ ที่แน่นอน^{[ 36 ]}คำกล่าวที่ว่ากระบวนการเป็นแบบกึ่งสถิตให้ข้อมูลที่สำคัญเกี่ยวกับกระบวนการ แต่ไม่ได้กำหนดเส้นทาง P–V อย่างเฉพาะเจาะจง เนื่องจากเส้นทางอาจรวมถึงการเคลื่อนที่ไปข้างหน้าและถอยหลังอย่างช้าๆ หลายครั้งในปริมาตร ซึ่งช้าพอที่จะไม่รวมแรงเสียดทานภายในระบบที่เกิดจากการเบี่ยงเบนจากข้อกำหนดกึ่งสถิต ผนังอะเดียแบติกคือผนังที่ไม่ยอมให้พลังงานผ่านโดยการนำความร้อนหรือการแผ่รังสี ${\displaystyle P\,dV}$

กฎข้อแรกของเทอร์โมไดนามิกส์กล่าวว่า. ${\displaystyle \Delta U=QW}$

สำหรับกระบวนการอะเดียแบติกแบบกึ่งคงที่ดังนั้น และดังนั้น จึงสรุปได้ว่าดังนั้น พลังงานภายในเป็นฟังก์ชันสถานะดังนั้นการเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายในจึงขึ้นอยู่กับสถานะเริ่มต้นและสถานะสุดท้ายของกระบวนการเท่านั้น สำหรับกระบวนการอะเดียแบติกแบบกึ่งคงที่ การเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายในเท่ากับลบด้วยปริมาณงานทั้งหมดที่ระบบทำ ดังนั้นงานจึงขึ้นอยู่กับสถานะเริ่มต้นและสถานะสุดท้ายของกระบวนการเท่านั้น และมีค่าเท่ากันสำหรับทุกเส้นทางระหว่างกลาง ผลที่ตามมาคือ งานที่ระบบทำก็ขึ้นอยู่กับสถานะเริ่มต้นและสถานะสุดท้ายด้วย ${\displaystyle \delta Q=0}$$${\displaystyle Q=\int \delta Q=0.}$$${\displaystyle \delta W=PdV}$$${\displaystyle W=\int \delta W=\int P\,dV.}$$${\displaystyle dU=-\delta W}$$${\displaystyle \Delta U=-\int P\,dV.}$$

หากเส้นทางของกระบวนการไม่ใช่แบบกึ่งคงที่และแบบอะเดียแบติก จะมีเส้นทางที่แตกต่างกันมากมายนับไม่ถ้วน ซึ่งแต่ละเส้นทางจะมีปริมาณงานที่แตกต่างกันอย่างมาก ระหว่างสถานะเริ่มต้นและสถานะสุดท้าย (อีกครั้ง การเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในขึ้นอยู่กับสถานะเริ่มต้นและสถานะสุดท้ายเท่านั้น เนื่องจากเป็นฟังก์ชันของสถานะ )

ในสัญลักษณ์ทางคณิตศาสตร์ปัจจุบัน อนุพันธ์เป็นอนุพันธ์ที่ไม่แม่นยำ^{[ 17 ]}${\displaystyle \delta W}$

ในสัญลักษณ์อีกแบบหนึ่งδ Wจะเขียนว่าđ W (โดยมีเส้นแนวนอนลากผ่านตัว d) สัญลักษณ์นี้บ่งชี้ว่าđ Wไม่ใช่ฟอร์มหนึ่งที่แน่นอน เส้นที่ลากผ่านเป็นเพียงสัญลักษณ์เตือนเราว่าแท้จริงแล้วไม่มีฟังก์ชัน ( ฟอร์ม 0 ) Wที่เป็นศักยภาพของđ Wหากมีฟังก์ชันW นี้อยู่จริง เราควรจะสามารถใช้ทฤษฎีบทของสโตกส์เพื่อประเมินฟังก์ชันที่คาดการณ์ไว้นี้ ซึ่งก็คือศักยภาพของđ Wที่ขอบเขต ของเส้นทาง นั่นคือจุดเริ่มต้นและจุดสิ้นสุด และดังนั้นงานจะเป็นฟังก์ชันสถานะ ความเป็นไปไม่ได้นี้สอดคล้องกับข้อเท็จจริงที่ว่าการอ้างถึง งานที่จุดใดจุดหนึ่ง ในแผนภาพ PV นั้นไม่มีความหมาย เพราะงานนั้นจำเป็นต้องมีเส้นทาง

มีหลายวิธีในการทำงานเชิงกล โดยแต่ละวิธีเกี่ยวข้องกับแรงที่กระทำผ่านระยะทาง^{[ 37 ]}ในกลศาสตร์พื้นฐาน งานที่ทำโดยแรงคงที่Fบนวัตถุที่เคลื่อนที่ไปเป็นระยะทาง s ในทิศทางของแรงนั้นกำหนดโดย

${\displaystyle W=Fs}$

ถ้าแรงไม่คงที่ งานที่ทำจะหาได้จากการอินทิเกรตปริมาณงานเชิงอนุพันธ์

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

การส่งกำลังด้วยเพลาหมุนเป็นเรื่องปกติมากในทางวิศวกรรม โดยทั่วไปแรงบิดTที่กระทำต่อเพลาจะมีค่าคงที่ ซึ่งหมายความว่าแรงFที่กระทำก็มีค่าคงที่เช่นกัน สำหรับแรงบิดคงที่ที่กำหนดไว้ งานที่ทำในระหว่าง การหมุน nรอบจะถูกกำหนดดังนี้: แรงFที่กระทำผ่านแขนโมเมนต์rจะสร้างแรงบิดT

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

แรงนี้กระทำผ่านระยะทางsซึ่งมีความสัมพันธ์กับรัศมีrโดย

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

จากนั้นจึงกำหนดปริมาณงานของเพลาจาก:

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

กำลังที่ส่งผ่านเพลาคือ งานที่เพลาทำต่อหน่วยเวลา ซึ่งแสดงได้ดังนี้

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

เมื่อมีแรงกระทำต่อสปริง และความยาวของสปริงเปลี่ยนแปลงไปเป็นปริมาณเชิงอนุพันธ์dxงานที่ทำคือ

${\displaystyle \บางส่วน w_{s}=Fdx}$

สำหรับสปริงยืดหยุ่นเชิงเส้น การกระจัดxจะแปรผันตรงกับแรงที่กระทำ

${\displaystyle F=Kx,}$

โดยที่Kคือค่าคงที่ของสปริงและมีหน่วยเป็น N/m การกระจัดxวัดจากตำแหน่งที่ไม่ถูกรบกวนของสปริง (นั่นคือX = 0เมื่อF = 0 ) แทนค่าสมการทั้งสองลงไป

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

โดยที่x ₁และx ₂คือการกระจัดเริ่มต้นและการกระจัดสุดท้ายของสปริงตามลำดับ ซึ่งวัดจากตำแหน่งที่ไม่ถูกรบกวนของสปริง

โดยทั่วไปแล้ว ของแข็งมักถูกจำลองเป็นสปริงเชิงเส้น เพราะภายใต้การกระทำของแรง ของแข็งจะหดตัวหรือยืดออก และเมื่อแรงถูกยกออก ของแข็งจะกลับคืนสู่ความยาวเดิมเหมือนสปริง นี่เป็นจริงตราบใดที่แรงอยู่ในช่วงยืดหยุ่น กล่าวคือ ไม่มากพอที่จะทำให้เกิดการเสียรูปถาวรหรือพลาสติก ดังนั้น สมการที่ใช้กับสปริงเชิงเส้นจึงสามารถใช้กับแท่งของแข็งยืดหยุ่นได้เช่นกัน หรืออีกทางหนึ่ง เราสามารถกำหนดงานที่เกี่ยวข้องกับการขยายตัวหรือการหดตัวของแท่งของแข็งยืดหยุ่นได้โดยการแทนที่ความดันPด้วยค่าที่เทียบเท่าในของแข็ง คือ ความเค้นปกติσ = F / Aในงานการขยายตัว

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

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

โดยที่Aคือพื้นที่หน้าตัดของแท่งโลหะ

พิจารณาฟิล์มของเหลว เช่น ฟิล์มสบู่ที่แขวนอยู่บนโครงลวด ต้องใช้แรงบางอย่างในการยืดฟิล์มนี้โดยส่วนที่เคลื่อนที่ได้ของโครงลวด แรงนี้ใช้เพื่อเอาชนะแรงระดับจุลภาคที่เกิดขึ้นระหว่างโมเลกุลที่ส่วนต่อประสานระหว่างของเหลวกับอากาศ แรงระดับจุลภาคเหล่านี้ตั้งฉากกับเส้นใดๆ บนพื้นผิว และแรงที่เกิดขึ้นจากแรงเหล่านี้ต่อหน่วยความยาวเรียกว่าแรงตึงผิวσซึ่งมีหน่วยเป็น N/m ดังนั้น งานที่เกี่ยวข้องกับการยืดฟิล์มจึงเรียกว่างานแรงตึงผิว และกำหนดได้จากสูตร

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

โดยที่dA = 2b / dxคือการเปลี่ยนแปลงของพื้นที่ผิวของฟิล์ม ปัจจัย 2 เกิดจากข้อเท็จจริงที่ว่าฟิล์มมีพื้นผิวสองด้านที่สัมผัสกับอากาศ แรงที่กระทำต่อลวดที่เคลื่อนที่ได้อันเป็นผลจากแรงตึงผิวคือF = 2b / σโดยที่σคือแรงตึงผิวต่อหน่วยความยาว

ปริมาณงานที่เป็นประโยชน์ที่สามารถดึงออกมาจากระบบทางเทอร์โมไดนามิกนั้นถูกกำหนดโดยกฎข้อที่สองของเทอร์โมไดนามิกในสถานการณ์จริงหลายๆ สถานการณ์ สามารถแสดงได้ด้วยฟังก์ชันความพร้อมใช้งานทางเทอร์โมไดนามิก หรือเอ็กเซอร์จี กรณีสำคัญสองกรณีคือ: ในระบบทางเทอร์โมไดนามิกที่อุณหภูมิและปริมาตรคงที่ การวัดงานที่เป็นประโยชน์ที่สามารถทำได้คือ ฟังก์ชัน พลังงานอิสระของเฮล์มโฮลทซ์และในระบบที่อุณหภูมิและความดันคงที่ การวัดงานที่เป็นประโยชน์ที่สามารถทำได้คือพลังงานอิสระของกิบส์

งานที่ไม่ใช่เชิงกลในอุณหพลศาสตร์ คือ งานที่เกิดจากแรงภายนอกที่ระบบได้รับ แรงเหล่านี้อาจเริ่มต้นจากเหตุการณ์ในสภาพแวดล้อมรอบระบบ หรือจากการดำเนินการทางอุณหพลศาสตร์บนผนังที่ป้องกันระบบ

งานที่ไม่ใช่เชิงกลของสนามแรงสามารถมีได้ทั้งเครื่องหมายบวกหรือลบ กล่าวคือ งานนั้นเกิดจากระบบกระทำต่อสิ่งแวดล้อม หรือในทางกลับกันงานที่เกิดจากสนามแรงสามารถเกิดขึ้นได้อย่างช้าๆ อย่างไม่มีที่สิ้นสุด จนเข้าใกล้สภาวะอุดมคติแบบกึ่งสถิตที่ผันกลับได้ ซึ่งเอนโทรปีจะไม่เกิดขึ้นในระบบจากกระบวนการดังกล่าว

ในอุณหพลศาสตร์ งานที่ไม่ใช่เชิงกลนั้นแตกต่างจากงานเชิงกลที่เกิดจากแรงที่สัมผัสโดยตรงระหว่างระบบกับสิ่งแวดล้อม หากงานที่เกิดขึ้นในกระบวนการนั้นไม่สามารถนิยามได้ว่าเป็นงานระยะไกลหรืองานสัมผัส บางครั้งก็ไม่สามารถอธิบายได้ด้วยหลักการทางอุณหพลศาสตร์ว่าเป็นงานเลย อย่างไรก็ตาม หลักการทางอุณหพลศาสตร์อนุญาตให้มีการถ่ายโอนพลังงานระหว่างระบบเปิดกับสิ่งแวดล้อมโดยกระบวนการที่ไม่ได้นิยามงานไว้ ตัวอย่างเช่น เมื่อผนังระหว่างระบบกับสิ่งแวดล้อมไม่ได้ถูกพิจารณาว่าเป็นอุดมคติและบางมากจนแทบมองไม่เห็น ดังนั้นกระบวนการต่างๆ จึงสามารถเกิดขึ้นภายในผนังได้ เช่น แรงเสียดทานที่ส่งผลต่อการถ่ายโอนสสารผ่านผนัง ในกรณีนี้ แรงในการถ่ายโอนจะไม่ใช่ทั้งแรงระยะไกลหรือแรงที่เกิดจากการสัมผัสระหว่างระบบกับสิ่งแวดล้อม การถ่ายโอนพลังงานจึงสามารถพิจารณาได้ว่าเป็นกระบวนการพาความร้อน และประเมินโดยรวมได้ว่าเป็นการถ่ายโอนพลังงานภายใน ซึ่งแตกต่างจากการถ่ายโอนพลังงานในรูปของความร้อนผ่านผนังหนาที่เต็มไปด้วยของเหลวในสภาวะที่มีสนามโน้มถ่วง ระหว่างระบบปิดกับสิ่งแวดล้อม ในกรณีนี้อาจมีการไหลเวียนแบบพาความร้อนภายในผนัง แต่กระบวนการนี้ยังคงถือได้ว่าเป็นการถ่ายโอนพลังงานในรูปของความร้อนระหว่างระบบกับสิ่งแวดล้อม หากผนังทั้งหมดเคลื่อนที่โดยการใช้แรงจากสิ่งแวดล้อม โดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงปริมาตรของผนัง ส่งผลให้ปริมาตรของระบบเปลี่ยนแปลงไปด้วย ก็จะเป็นการถ่ายโอนพลังงานในรูปของงานไปพร้อมกันด้วย ปฏิกิริยาเคมีภายในระบบสามารถนำไปสู่แรงทางไฟฟ้าในระยะไกลและการไหลของกระแสไฟฟ้า ซึ่งถ่ายโอนพลังงานในรูปของงานระหว่างระบบกับสิ่งแวดล้อม แม้ว่าปฏิกิริยาเคมีของระบบเอง (ยกเว้นกรณีพิเศษที่ถูกขับเคลื่อนผ่านอุปกรณ์ในสิ่งแวดล้อมเพื่อให้เกิดขึ้นตามแนวสมดุลทางเทอร์โมไดนามิก) จะไม่สามารถย้อนกลับได้และไม่โต้ตอบโดยตรงกับสิ่งแวดล้อมของระบบ^{[ 38 ]}

งานที่ไม่ใช่เชิงกลนั้นแตกต่างจากงานความดัน-ปริมาตร งานความดัน-ปริมาตรเป็นหนึ่งในสองประเภทหลักของงานสัมผัสเชิงกล แรงกระทำต่อผนังที่เชื่อมต่อระหว่างระบบกับสิ่งแวดล้อม แรงนั้นเกิดจากความดันที่วัสดุภายในระบบกระทำต่อผนังนั้น ความดันนั้นเป็นตัวแปรสถานะภายในของระบบ แต่สามารถวัดได้อย่างถูกต้องโดยอุปกรณ์ภายนอกที่ผนัง งานเกิดจากการเปลี่ยนแปลงปริมาตรของระบบโดยการขยายตัวหรือหดตัวของระบบ หากระบบขยายตัว ในบทความนี้จะกล่าวได้ว่าเป็นการทำงานเชิงบวกต่อสิ่งแวดล้อม หากระบบหดตัว ในบทความนี้จะกล่าวได้ว่าเป็นการทำงานเชิงลบต่อสิ่งแวดล้อม งานความดัน-ปริมาตรเป็นงานสัมผัสชนิดหนึ่ง เพราะเกิดขึ้นจากการสัมผัสโดยตรงของวัสดุกับผนังหรือสสารโดยรอบที่ขอบเขตของระบบ มันถูกอธิบายอย่างแม่นยำโดยการเปลี่ยนแปลงของตัวแปรสถานะของระบบ เช่น การเปลี่ยนแปลงของความดันและปริมาตรของระบบตามเวลา ปริมาตรของระบบถูกจัดเป็น "ตัวแปรการเปลี่ยนแปลงรูปร่าง" และวัดอย่างถูกต้องจากภายนอกระบบ ในสภาพแวดล้อมโดยรอบ งานที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงความดันและปริมาตรอาจมีเครื่องหมายบวกหรือลบก็ได้ งานที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงความดันและปริมาตร หากทำอย่างช้าๆ จะทำให้เข้าใกล้สภาวะอุดมคติแบบกึ่งสถิตที่ผันกลับได้ในเชิงสมมติ

งานที่ไม่ใช่เชิงกลนั้นแตกต่างจากงานเพลา งานเพลาเป็นอีกประเภทหนึ่งของงานสัมผัสเชิงกลหลักสองประเภทที่พิจารณากัน มันถ่ายโอนพลังงานโดยการหมุน แต่ในที่สุดแล้วจะไม่เปลี่ยนแปลงรูปร่างหรือปริมาตรของระบบ เนื่องจากมันไม่เปลี่ยนแปลงปริมาตรของระบบ จึงไม่วัดเป็นงานความดัน-ปริมาตร และเรียกว่างานไอโซโคริก เมื่อพิจารณาเฉพาะในแง่ของความแตกต่างในที่สุดระหว่างรูปร่างและปริมาตรเริ่มต้นและสุดท้ายของระบบ งานเพลาไม่ได้ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงใดๆ ในระหว่างกระบวนการทำงานของเพลา เช่น การหมุนของใบพัด รูปร่างของระบบจะเปลี่ยนแปลงเป็นวัฏจักร แต่สิ่งนี้ไม่ได้ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในที่สุดของรูปร่างหรือปริมาตรของระบบ งานเพลาเป็นงานสัมผัสชนิดหนึ่ง เพราะเกิดขึ้นจากการสัมผัสโดยตรงของวัสดุกับสสารโดยรอบที่ขอบเขตของระบบ ระบบที่อยู่ในสภาวะสมดุลทางเทอร์โมไดนามิกในตอนเริ่มต้นไม่สามารถเริ่มต้นการเปลี่ยนแปลงใดๆ ในพลังงานภายในได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง มันไม่สามารถเริ่มต้นงานเพลาได้ นี่เป็นการอธิบายการใช้วลี"ตัวแทนวัสดุที่ไม่มีชีวิต" ที่น่าสนใจ ของเคลวินในข้อความหนึ่งของเขาเกี่ยวกับกฎข้อที่สองของเทอร์โมไดนามิกส์ การดำเนินการทางเทอร์โมไดนามิกส์หรือการเปลี่ยนแปลงในสิ่งแวดล้อมถือว่าสามารถสร้างการเปลี่ยนแปลงที่ซับซ้อนได้ เช่น การหมุนของเพลาขับที่ยืดเยื้อ เปลี่ยนแปลง หรือหยุดลงอย่างไม่มีกำหนด ในขณะที่ระบบที่เริ่มต้นในสถานะสมดุลทางเทอร์โมไดนามิกส์นั้นไม่มีชีวิตและไม่สามารถทำเช่นนั้นได้เอง^{[ 39 ]}ดังนั้นเครื่องหมายของงานเพลาจึงเป็นลบเสมอ งานถูกกระทำต่อระบบโดยสิ่งแวดล้อม งานเพลาแทบจะไม่สามารถทำได้อย่างช้าๆ อย่างไม่มีกำหนด ดังนั้นจึงสร้างเอนโทรปีภายในระบบเสมอ เนื่องจากอาศัยแรงเสียดทานหรือความหนืดภายในระบบในการถ่ายโอน^{[ 40 ]}ข้อคิดเห็นข้างต้นเกี่ยวกับงานเพลาใช้ได้เฉพาะเมื่อเราละเลยว่าระบบสามารถเก็บโมเมนตัมเชิงมุมและพลังงานที่เกี่ยวข้องได้

ตัวอย่างของโหมดการทำงานที่ไม่ใช้กลไก ได้แก่

• งานที่เกี่ยวข้องกับสนามไฟฟ้า – โดยที่แรงถูกกำหนดโดยแรงดันไฟฟ้า ของสิ่งแวดล้อม (ศักย์ไฟฟ้า) และการกระจัดโดยทั่วไปคือการเปลี่ยนแปลงของการกระจายตัวของประจุไฟฟ้า ในเชิงพื้นที่
• งานโพลาไรเซชันทางไฟฟ้า – โดยที่แรงถูกกำหนดโดยความแรงของสนามไฟฟ้า ของสิ่งแวดล้อม และการกระจัดโดยทั่วไปคือการเปลี่ยนแปลงของโพลาไรเซชันของตัวกลาง (ผลรวมของโมเมนต์ไดโพลไฟฟ้าของโมเลกุล)
• งานแม่เหล็ก – โดยที่แรงถูกกำหนดโดยความแรงของสนามแม่เหล็ก โดยรอบ และการกระจัดโดยทั่วไปคือการเปลี่ยนแปลงของโมเมนต์ไดโพลแม่เหล็ก ทั้งหมด

งานที่เกิดจากแรงโน้มถ่วง หมายถึง แรงที่กระทำต่อวัตถุซึ่งวัดได้ในสนามโน้มถ่วงมันอาจทำให้เกิดการเคลื่อนที่โดยทั่วไปในรูปแบบของการเปลี่ยนแปลงการกระจายตัวของสสารภายในระบบ ระบบจะได้รับพลังงานภายใน (หรือปริมาณพลังงานเชิงปริมาณอื่นๆ ที่เกี่ยวข้อง เช่น เอนทาลปี) ผ่านแรงเสียดทานภายใน เมื่อมองจากสิ่งแวดล้อม งานที่เกิดจากแรงเสียดทานนี้จะปรากฏเป็นงานเชิงกลที่กระทำต่อระบบ แต่เมื่อมองจากภายในระบบเอง มันจะปรากฏเป็นการถ่ายโอนพลังงานในรูปของความร้อน เมื่อระบบอยู่ในสภาวะสมดุลทางเทอร์โมไดนามิกภายใน อุณหภูมิของระบบจะสม่ำเสมอทั่วทั้งระบบ หากปริมาตรและตัวแปรสถานะอื่นๆ นอกเหนือจากเอนโทรปี ถูกคงที่ไว้ตลอดกระบวนการ ความร้อนที่ถ่ายโอนจะต้องปรากฏเป็นอุณหภูมิและเอนโทรปีที่เพิ่มขึ้น ในสนามโน้มถ่วงที่สม่ำเสมอ ความดันของระบบจะมากกว่าที่ด้านล่างมากกว่าที่ด้านบน

ตามนิยามแล้ว ฟังก์ชันพลังงานหลักที่เกี่ยวข้องนั้นแตกต่างจากพลังงานศักย์โน้มถ่วงของระบบโดยรวม ซึ่งพลังงานศักย์โน้มถ่วงอาจเปลี่ยนแปลงได้อันเป็นผลมาจากงานโน้มถ่วงที่สิ่งแวดล้อมกระทำต่อระบบ พลังงานศักย์โน้มถ่วงของระบบเป็นส่วนประกอบหนึ่งของพลังงานทั้งหมด เช่นเดียวกับส่วนประกอบอื่นๆ ได้แก่ พลังงานเทอร์โมไดนามิกหลัก (เช่น พลังงานภายใน) และพลังงานจลน์ของระบบโดยรวมที่กำลังเคลื่อนที่

• เครื่องอัดไฮโดรเจนแบบไฟฟ้าเคมี
• ปฏิกิริยาเคมี
• สถานะจุลภาค (กลศาสตร์เชิงสถิติ) - รวมถึงนิยามงานในระดับจุลภาค