Když přemýšlíte o slově „energie“, pravděpodobně myslíte na něco jako kinetickou energii pohybujícího se objektu nebo na potenciální energii, kterou by něco mohlo mít díky gravitaci.
V mikroskopickém měřítku všakvnitřní energiepředmět má mnohem důležitější než tyto makroskopické formy energie. Tato energie je výsledkem pohybu molekul a je obecně snazší ji pochopit a vypočítat, pokud uvažujete o uzavřeném systému, který je zjednodušený, jako je ideální plyn.
Co je vnitřní energie systému?
Vnitřní energie je celková energie uzavřeného systému molekul nebo součet molekulární kinetické energie a potenciální energie v látce. Makroskopická kinetická a potenciální energie na vnitřní energii nezáleží - pokud pohnete celý uzavřený systém nebo změnit jeho gravitační potenciální energii, vnitřní energie zůstává stejný.
Jak byste u mikroskopického systému očekávali, výpočet kinetické energie velkého množství molekul a jejich potenciálních energií by byl náročný - ne-li prakticky nemožný úkol. V praxi tedy výpočty vnitřní energie zahrnují spíše průměry než namáhavý proces jejího přímého výpočtu.
Jedním z obzvláště užitečných zjednodušení je zacházení s plynem jako s „ideálním plynem“, o kterém se předpokládá, že nemá žádné mezimolekulární síly, a tedy v podstatě žádnou potenciální energii. Díky tomu je proces výpočtu vnitřní energie systému mnohem jednodušší a pro mnoho plynů to není daleko od přesnosti.
Vnitřní energie se někdy nazývá tepelná energie, protože teplota je v podstatě mírou vnitřní energie systému - je definována jako průměrná kinetická energie molekul v systému.
Interní energetická rovnice
Rovnice vnitřní energie je stavová funkce, což znamená, že její hodnota v daném čase závisí na stavu systému, nikoli na tom, jak se tam dostal. Pro vnitřní energii závisí rovnice na počtu molů (nebo molekul) v uzavřeném systému a jeho teplotě v Kelvinech.
Vnitřní energie ideálního plynu má jednu z nejjednodušších rovnic:
U = \ frac {3} {2} nRT
Kdenje počet krtků,Rje univerzální plynová konstanta aTje teplota systému. Konstanta plynu má hodnotuR= 8,3 145 J mol−1 K.−1nebo kolem 8,3 joulů na mol na kelvin. To dává hodnotu proUv joulech, jak byste očekávali u hodnoty energie, a má smysl v tom, že vyšší teploty a více molů látky vedou k vyšší vnitřní energii.
První zákon termodynamiky
První zákon termodynamiky je jednou z nejužitečnějších rovnic pro práci s vnitřní energií a uvádí že změna vnitřní energie systému se rovná teplu přidanému do systému minus práce odvedená systémem (nebo,Plusodvedená prácenasystém). V symbolech to je:
∆U = Q-W
Práce s touto rovnicí je opravdu jednoduchá, pokud znáte (nebo můžete vypočítat) přenos tepla a odvedenou práci. Mnoho situací však věci ještě více zjednodušuje. V izotermickém procesu je teplota konstantní a protože vnitřní energie je stavová funkce, víte, že změna vnitřní energie je nulová. V adiabatickém procesu nedochází k žádnému přenosu tepla mezi systémem a jeho okolím, takže hodnotaQje 0 a rovnice se stává:
∆U = -W
Izobarický proces je proces, který probíhá při konstantním tlaku, což znamená, že odvedená práce se rovná tlaku vynásobenému změnou objemu:Ž = P∆PROTI. Izochorické procesy probíhají s konstantním objemem a v těchto případechŽ= 0. To ponechává změnu vnitřní energie stejnou jako teplo přidané do systému:
∆U = Q
I když nemůžete problém zjednodušit jedním z těchto způsobů, pro mnoho procesů se nedělá žádná práce nebo lze jej snadno vypočítat, takže je důležité zjistit množství získaného nebo ztraceného tepla dělat.