Hőközlés a termodinamikai folyamatokban

A hő (pontosabban a hőközlés) egy rendszerbe vagy a rendszerből történő energiaátadási folyamat, ami általában a rendszer és a környezete közötti hőmérsékletkülönbség hatására következik be. A munkavégzéshez hasonlóan a hőközlésreis igaz, hogy értéke valamilyen termodinamikai folyamatban nemcsak a kezdeti és a végső állapotjelzőktől függ, hanem a kezdeti és a végállapot közti úttól is.Tegyük fel például, hogy egy bizonyos mennyiségű ideális gáz térfogatát 2 literről 5 literre akarjuk növelni, míg hőmérsékletét T=300K állandó értéken tartjuk. Két különböző utat nézzünk.

A dugattyúval lezárt hengerben lévő gáz kezdeti térfogata 2 liter. A gázt hagyjuk lassan kitágulni (óvatosan csökkentve a dugattyúra ható külső erőt), miközben egy elektromos fűtőszál annyi hőt juttat a rendszerbe, hogy hőmérséklete 300 K maradjon. Ebben a lassú, szabályozott, izotermikus folyamatban a gáz végül kitágul a végső 5 literes térfogatra; a folyamat közben a gáz meghatározott mennyiségű hőt vesz fel.

Egy ettől eltérő megoldás, ami ugyanarra a végeredményre vezet. Hőszigetelő falak borítják a tartályt, amit egy vékony, széttörhető válaszfal oszt két részre. Az alsó rész térfogata 2 liter, a felső részé 3 liter. Az alsó részben ugyanakkora mennyiségű és ugyanolyan minőségű gázt helyeztünk el, mint az (a) ábrán, szintén 300 K hőmérsékleten, vagyis a kezdeti állapot ugyanaz, mint az előbb. Most törjük szét a válaszfalat! A gáz gyorsan, szabályozatlanul kitágul, miközben nincs mód semmiféle hőátadásra a hőszigetelő falakon át. A végső térfogat ugyanúgy 5 liter lesz, mint az (a) ábra esetén. A gáz a kitágulás alatt nem végzett semmilyen munkát, mert a teljes rendszer (az egész tartály) térfogata nem változott meg, a tartálynak nem mozdult el olyan alkatrésze, amely munkavégző kapcsolatban állt volna a környezettel. A gáz szabályozatlan, vákuumba történő tágulását röviden szabad tágulásnak nevezzük. A kísérletek azt mutatják, hogy ideális gáz (a nemesgázok jó közelítéssel ideális gázként viselkednek) szabad tágulásakor a hőmérséklet nem változik. Ezért a gáz végső állapota megegyezik a két esetben. A közbülső állapotok a vizsgált esetekben teljesen eltérőek, ez két különböző utat jelent az (1) állapotból a (2)-be.

A második esetben a rendszerrel hőcsere nem történik, és munkavégző kapcsolatban sem áll környezetével. Megállapíthatjuk tehát, hogy a munkavégzéshez hasonlóan a hőközlés sem csak a kezdeti és a végső állapottól függ, hanem a folyamatot jellemző úttól is. Így nincs értelme azt mondani, hogy egy rendszer bizonyos mennyiségű hőt "tartalmaz".

Azonos kiindulási és végállapotok között különböző utakat mutat az (a) és a (b) ábra_kulcsszava

A szabad táguláskor a rendszernek csak a kiindulási és a végső állapota egyensúlyi, a közbülső gyors, szabályozatlan szakaszban a gáz nincs egyensúlyi állapotban (nem beszélhetünk például egységes nyomásról), így ezt az utat nem is ábrázolhatjuk a p−V diagramon.