عندما تفكر في كلمة "طاقة" ، ربما تفكر في شيء مثل الطاقة الحركية لجسم متحرك ، أو ربما الطاقة الكامنة التي قد يمتلكها شيء ما بسبب الجاذبية.
ومع ذلك ، على النطاق المجهري ، فإنالطاقة الداخليةالكائن الذي يمتلكه أكثر أهمية من هذه الأشكال العيانية للطاقة. تنتج هذه الطاقة في النهاية عن حركة الجزيئات ، ومن السهل فهمها وحسابها بشكل عام إذا كنت تفكر في نظام مغلق مبسط ، مثل الغاز المثالي.
ما هي الطاقة الداخلية للنظام؟
الطاقة الداخلية هي الطاقة الكلية لنظام مغلق من الجزيئات ، أو مجموع الطاقة الحركية الجزيئية والطاقة الكامنة في مادة ما. لا تهم الطاقات الحركية والإمكانات المجهرية للطاقة الداخلية - إذا قمت بتحريك نظام مغلق بالكامل أو تغيير طاقته الكامنة للجاذبية ، تظل الطاقة الداخلية نفس.
كما هو متوقع بالنسبة للنظام المجهري ، فإن حساب الطاقة الحركية للعديد من الجزيئات وطاقاتها المحتملة سيكون مهمة صعبة - إن لم تكن مستحيلة عمليًا. لذلك ، من الناحية العملية ، تتضمن حسابات الطاقة الداخلية المتوسطات بدلاً من العملية المضنية لحسابها بشكل مباشر.
أحد التبسيط المفيد بشكل خاص هو معالجة الغاز على أنه "غاز مثالي" ، والذي يُفترض أنه لا يحتوي على قوى بين الجزيئات وبالتالي لا توجد طاقة كامنة. هذا يجعل عملية حساب الطاقة الداخلية للنظام أكثر بساطة ، وهي ليست بعيدة عن الدقة بالنسبة للعديد من الغازات.
تسمى الطاقة الداخلية أحيانًا الطاقة الحرارية ، لأن درجة الحرارة هي في الأساس مقياس لـ الطاقة الداخلية للنظام - يتم تعريفها على أنها متوسط الطاقة الحركية للجزيئات في النظام.
معادلة الطاقة الداخلية
معادلة الطاقة الداخلية هي دالة حالة ، مما يعني أن قيمتها في وقت معين تعتمد على حالة النظام ، وليس كيفية وصوله إلى هناك. بالنسبة للطاقة الداخلية ، تعتمد المعادلة على عدد المولات (أو الجزيئات) في النظام المغلق ودرجة حرارتها في كلفن.
تحتوي الطاقة الداخلية للغاز المثالي على واحدة من أبسط المعادلات:
U = \ frac {3} {2} nRT
أيننهو عدد الشامات ،رهو ثابت الغاز العالمي وتيهي درجة حرارة النظام. ثابت الغاز له قيمةر= 8.3145 جول مول−1 ك−1، أو حوالي 8.3 جول لكل مول لكل كلفن. هذا يعطي قيمة ليوبالجول ، كما تتوقع لقيمة الطاقة ، ومن المنطقي أن ارتفاع درجات الحرارة وزيادة عدد مولات المادة يؤدي إلى طاقة داخلية أعلى.
القانون الأول للديناميكا الحرارية
القانون الأول للديناميكا الحرارية هو أحد أكثر المعادلات فائدة عند التعامل مع الطاقة الداخلية ، وينص عليه أن التغيير في الطاقة الداخلية للنظام يساوي الحرارة المضافة إلى النظام مطروحًا منه العمل الذي يقوم به النظام (أو،زائدالعمل انتهىعلىالنظام). في الرموز ، هذا هو:
∆U = Q-W
هذه المعادلة سهلة الاستخدام شريطة أن تعرف (أو تستطيع حساب) نقل الحرارة والعمل المنجز. ومع ذلك ، فإن العديد من المواقف تبسط الأمور أكثر. في عملية متساوية الحرارة ، تكون درجة الحرارة ثابتة ، وبما أن الطاقة الداخلية هي إحدى وظائف الحالة ، فأنت تعلم أن التغير في الطاقة الداخلية هو صفر. في عملية ثابتة الحرارة ، لا يوجد انتقال للحرارة بين النظام ومحيطه ، وبالتالي فإن قيمةسهي 0 ، وتصبح المعادلة:
∆U = -W
العملية متساوية الضغط هي عملية تحدث عند ضغط ثابت ، وهذا يعني أن الشغل المنجز يساوي الضغط مضروبًا في التغيير في الحجم:دبليو = ص∆الخامس. تحدث عمليات Isochoric بحجم ثابت ، وفي هذه الحالاتدبليو= 0. هذا يجعل التغيير في الطاقة الداخلية مساوياً للحرارة المضافة إلى النظام:
∆U = س
حتى إذا لم تتمكن من تبسيط المشكلة بإحدى هذه الطرق ، بالنسبة للعديد من العمليات ، لا يوجد عمل تم إنجازه أو يمكن حسابها بسهولة ، لذا فإن تحديد مقدار الحرارة المكتسبة أو المفقودة هو الشيء الرئيسي الذي ستحتاج إليه فعل.