Когато мислите за думата „енергия“, вероятно мислите за нещо като кинетичната енергия на движещ се обект или може би за потенциалната енергия, която нещо може да притежава поради гравитацията.
В микроскопичния мащаб обачевътрешна енергияедин обект притежава е по-важен от тези макроскопични форми на енергия. Тази енергия в крайна сметка е резултат от движението на молекулите и обикновено е по-лесно да се разбере и изчисли, ако се има предвид затворена система, която е опростена, като идеален газ.
Каква е вътрешната енергия на системата?
Вътрешната енергия е общата енергия на затворена система от молекули или сумата от молекулярната кинетична енергия и потенциалната енергия в дадено вещество. Макроскопичната кинетична и потенциална енергия нямат значение за вътрешната енергия - ако я преместите Цялата затворена система или променя нейната гравитационна потенциална енергия, вътрешната енергия остава същото.
Както бихте очаквали за една микроскопична система, изчисляването на кинетичната енергия на множеството молекули и техните потенциални енергии би било предизвикателна - ако не и практически невъзможна - задача. Така че на практика изчисленията за вътрешната енергия включват средни стойности, а не усърден процес на директно изчисляване.
Едно особено полезно опростяване е третирането на газ като „идеален газ“, за който се приема, че няма междумолекулни сили и следователно по същество няма потенциална енергия. Това прави процеса на изчисляване на вътрешната енергия на системата много по-опростен и не е далеч от точността за много газове.
Вътрешната енергия понякога се нарича топлинна енергия, тъй като по същество температурата е мярка за вътрешна енергия на системата - тя се определя като средната кинетична енергия на молекулите в системата.
Вътрешно енергийно уравнение
Вътрешното енергийно уравнение е функция на състоянието, което означава, че стойността му в даден момент зависи от състоянието на системата, а не от това как е попаднала там. За вътрешната енергия уравнението зависи от броя на моловете (или молекулите) в затворената система и нейната температура в келвини.
Вътрешната енергия на идеалния газ има едно от най-простите уравнения:
U = \ frac {3} {2} nRT
Къдетоне броят на бенките,Rе универсалната газова константа иTе температурата на системата. Газовата константа има стойносттаR= 8,3145 J мол−1 К−1или около 8,3 джаула на мол за Келвин. Това дава стойност заUв джаули, както бихте очаквали за стойност на енергията и има смисъл, че по-високите температури и повече молове на веществото водят до по-висока вътрешна енергия.
Първият закон на термодинамиката
Първият закон на термодинамиката е едно от най-полезните уравнения при работа с вътрешна енергия и гласи че промяната във вътрешната енергия на системата е равна на топлината, добавена към системата минус работата, извършена от системата (или,плюссвършената работаНасистемата). В символите това е:
∆U = Q-W
Това уравнение е наистина лесно да се работи, при условие че знаете (или можете да изчислите) преноса на топлина и извършената работа. Много ситуации обаче опростяват нещата още повече. При изотермичен процес температурата е постоянна и тъй като вътрешната енергия е функция на състоянието, знаете, че промяната във вътрешната енергия е нула. При адиабатичен процес няма пренос на топлина между системата и околната среда, така че стойността наВъпрос:е 0 и уравнението става:
∆U = -W
Изобарен процес е този, който протича при постоянно налягане и това означава, че извършената работа е равна на налягането, умножено по промяната в обема:W = P∆V. Изохорните процеси протичат с постоянен обем и в тези случаиW= 0. Това прави промяната във вътрешната енергия равна на топлината, добавена към системата:
∆U = Q
Дори ако не можете да опростите проблема по един от тези начини, за много процеси няма свършена работа или тя може лесно да бъде изчислена, така че намирането на количество спечелена или загубена топлина е основното нещо, което ще трябва направете.