Εσωτερική ενέργεια (Φυσική): Ορισμός, τύπος και τρόπος υπολογισμού

Όταν σκέφτεστε τη λέξη «ενέργεια», πιθανότατα σκέφτεστε κάτι σαν την κινητική ενέργεια ενός κινούμενου αντικειμένου ή ίσως την πιθανή ενέργεια που μπορεί να έχει κάτι λόγω της βαρύτητας.

Ωστόσο, στη μικροσκοπική κλίμακα, τοεσωτερική ενέργειαένα αντικείμενο που έχει είναι πιο σημαντικό από αυτές τις μακροσκοπικές μορφές ενέργειας. Αυτή η ενέργεια προκύπτει τελικά από την κίνηση των μορίων και είναι γενικά ευκολότερο να κατανοηθεί και να υπολογιστεί εάν θεωρείτε ένα κλειστό σύστημα που είναι απλοποιημένο, όπως ένα ιδανικό αέριο.

Η εσωτερική ενέργεια είναι η συνολική ενέργεια ενός κλειστού συστήματος μορίων ή το άθροισμα της μοριακής κινητικής ενέργειας και της πιθανής ενέργειας σε μια ουσία. Οι μακροσκοπικές κινητικές και πιθανές ενέργειες δεν έχουν σημασία για την εσωτερική ενέργεια - εάν μετακινήσετε το ολόκληρο το κλειστό σύστημα ή να αλλάξει τη βαρυτική του δυναμική ενέργεια, η εσωτερική ενέργεια παραμένει η ίδιο.

Όπως θα περίμενε κανείς για ένα μικροσκοπικό σύστημα, ο υπολογισμός της κινητικής ενέργειας του πλήθους των μορίων και των πιθανών ενεργειών τους θα ήταν μια δύσκολη - αν όχι πρακτικά αδύνατη - εργασία. Έτσι, στην πράξη, οι υπολογισμοί για την εσωτερική ενέργεια περιλαμβάνουν μέσους όρους και όχι επίπονη διαδικασία απευθείας υπολογισμού της.

Μία ιδιαίτερα χρήσιμη απλοποίηση είναι να αντιμετωπίζεται ένα αέριο ως «ιδανικό αέριο», το οποίο θεωρείται ότι δεν έχει διαμοριακές δυνάμεις και ως εκ τούτου ουσιαστικά καμία δυνητική ενέργεια. Αυτό καθιστά τη διαδικασία υπολογισμού της εσωτερικής ενέργειας του συστήματος πολύ απλούστερη και δεν απέχει πολύ από την ακρίβεια για πολλά αέρια.

Η εσωτερική ενέργεια καλείται μερικές φορές θερμική ενέργεια, επειδή η θερμοκρασία είναι ουσιαστικά ένα μέτρο του εσωτερική ενέργεια ενός συστήματος - ορίζεται ως η μέση κινητική ενέργεια των μορίων του συστήματος.

Η εσωτερική ενεργειακή εξίσωση είναι μια συνάρτηση κατάστασης, που σημαίνει ότι η τιμή της σε μια δεδομένη χρονική στιγμή εξαρτάται από την κατάσταση του συστήματος και όχι από το πώς έφτασε εκεί. Για την εσωτερική ενέργεια, η εξίσωση εξαρτάται από τον αριθμό γραμμομορίων (ή μορίων) στο κλειστό σύστημα και τη θερμοκρασία του σε Kelvins.

Η εσωτερική ενέργεια ενός ιδανικού αερίου έχει μία από τις απλούστερες εξισώσεις:

Οπουνείναι ο αριθμός των γραμμομορίων,Ρείναι η καθολική σταθερά αερίου καιΤείναι η θερμοκρασία του συστήματος. Η σταθερά αερίου έχει την τιμήΡ= 8,3145 J mol⁻¹ κ⁻¹, ή περίπου 8,3 joules ανά mole ανά Kelvin. Αυτό δίνει μια τιμή γιαΕσε joules, όπως θα περίμενε κανείς για μια τιμή ενέργειας, και είναι λογικό ότι υψηλότερες θερμοκρασίες και περισσότερα γραμμομόρια της ουσίας οδηγούν σε υψηλότερη εσωτερική ενέργεια.

Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής είναι μία από τις πιο χρήσιμες εξισώσεις όταν ασχολείται με την εσωτερική ενέργεια, και δηλώνει ότι η αλλαγή στην εσωτερική ενέργεια ενός συστήματος ισούται με τη θερμότητα που προστίθεται στο σύστημα μείον την εργασία που επιτελεί το σύστημα (ή,συνη δουλειά που έγινεεπίτο σύστημα). Σε σύμβολα, αυτό είναι:

Αυτή η εξίσωση είναι πραγματικά απλή στην εργασία με την προϋπόθεση ότι γνωρίζετε (ή μπορείτε να υπολογίσετε) τη μεταφορά θερμότητας και την εργασία που έγινε. Ωστόσο, πολλές καταστάσεις απλοποιούν τα πράγματα ακόμη περισσότερο. Σε μια ισοθερμική διαδικασία, η θερμοκρασία είναι σταθερή και δεδομένου ότι η εσωτερική ενέργεια είναι συνάρτηση κατάστασης, γνωρίζετε ότι η αλλαγή στην εσωτερική ενέργεια είναι μηδενική. Σε μια αδιαβατική διαδικασία, δεν υπάρχει μεταφορά θερμότητας μεταξύ του συστήματος και του περιβάλλοντός του, επομένως η τιμή τουΕρείναι 0 και η εξίσωση γίνεται:

Μια ισοβαρική διαδικασία είναι αυτή που συμβαίνει σε σταθερή πίεση και αυτό σημαίνει ότι η εργασία που πραγματοποιείται είναι ίση με την πίεση που πολλαπλασιάζεται με την αλλαγή του όγκου:Δ​ = ​Π​∆​Β. Οι ισοχορικές διεργασίες συμβαίνουν με σταθερό όγκο και σε αυτές τις περιπτώσειςΔ= 0. Αυτό αφήνει την αλλαγή της εσωτερικής ενέργειας ίση με τη θερμότητα που προστίθεται στο σύστημα:

Ακόμα κι αν δεν μπορείτε να απλοποιήσετε το πρόβλημα με έναν από αυτούς τους τρόπους, για πολλές διαδικασίες, δεν υπάρχει καμία εργασία ή μπορεί εύκολα να υπολογιστεί, οπότε η εύρεση της ποσότητας θερμότητας που κερδίζεται ή χάνεται είναι το κύριο πράγμα που θα χρειαστείτε κάνω.