Mõeldes sõnale "energia", mõtlete tõenäoliselt midagi sellist nagu liikuva objekti kineetiline energia või võib-olla potentsiaalne energia, mida miski gravitatsiooni tõttu omada võib.
Kuid mikroskoopilises skaalas onsiseenergiaobjekti valdamine on olulisem kui need makroskoopilised energiavormid. See energia tuleneb lõppkokkuvõttes molekulide liikumisest ning seda on lihtsam mõista ja arvutada, kui kaaluda lihtsustatud suletud süsteemi, näiteks ideaalset gaasi.
Mis on süsteemi siseenergia?
Siseenergia on suletud molekulide süsteemi koguenergia ehk aine molekulaarse kineetilise energia ja potentsiaalse energia summa. Makroskoopilised kineetilised ja potentsiaalsed energiad ei oma siseenergia jaoks tähtsust - kui te seda liigutate kogu suletud süsteemi või muuta selle gravitatsioonipotentsiaali energiat, jääb siseenergia sama.
Nagu mikroskoopilise süsteemi puhul võiks eeldada, oleks paljude molekulide ja nende potentsiaalsete energiate kineetilise energia arvutamine keeruline - kui mitte praktiliselt võimatu - ülesanne. Nii et praktikas hõlmavad siseenergia arvutused pigem keskmisi kui selle otsese arvutamise vaevalist protsessi.
Üks eriti kasulik lihtsustus on gaasi käsitamine “ideaalse gaasina”, millel eeldatakse, et sellel pole molekulidevahelisi jõude ja seega sisuliselt potentsiaalset energiat. See muudab süsteemi siseenergia arvutamise protsessi palju lihtsamaks ja paljude gaaside jaoks pole see kaugeltki täpne.
Siseenergiat nimetatakse mõnikord soojusenergiaks, kuna temperatuur on sisuliselt energia näitaja süsteemi siseenergia - see on määratletud kui süsteemi molekulide keskmine kineetiline energia.
Energia sisemine võrrand
Siseenergia võrrand on olekufunktsioon, mis tähendab, et selle väärtus antud ajahetkel sõltub süsteemi seisundist, mitte sellest, kuidas see sinna jõudis. Siseenergia korral sõltub võrrand suletud süsteemis olevate moolide (või molekulide) arvust ja selle temperatuurist kelvinites.
Ideaalse gaasi siseenergial on üks lihtsamaid võrrandeid:
U = \ frac {3} {2} nRT
Kusnon moolide arv,Ron universaalne gaasikonstant jaTon süsteemi temperatuur. Gaasikonstandil on väärtusR= 8,3145 J mol−1 K−1ehk umbes 8,3 džauli mooli kohta Kelvini kohta. See annab väärtuseleUdžaulides, nagu energia väärtuse kohta võiks eeldada, ja see on mõttekas, et kõrgemad temperatuurid ja rohkem aine mooli toovad kaasa suurema siseenergia.
Esimene termodünaamika seadus
Termodünaamika esimene seadus on siseenergiaga tegelemisel üks kasulikumaid võrrandeid ja selles öeldakse et süsteemi siseenergia muutus võrdub süsteemile lisatud soojusega, millest on lahutatud süsteemi tehtud töö (võiplusstehtud tööpealsüsteem). Sümbolites on see:
∆U = Q-W
Selle võrrandiga on tõepoolest lihtne töötada, kui teate (või oskate arvutada) soojusülekannet ja tehtud tööd. Kuid paljud olukorrad lihtsustavad asju veelgi. Isotermilises protsessis on temperatuur püsiv ja kuna siseenergia on olekufunktsioon, siis teate, et siseenergia muutus on null. Adiabaatilises protsessis ei toimu süsteemi ja selle ümbruse vahel soojusülekannet, seega väärtusQon 0 ja võrrand saab:
∆U = -W
Isobaarne protsess on protsess, mis toimub püsiva rõhu all ja see tähendab, et tehtud töö võrdub rõhuga, mis on korrutatud mahu muutusega:W = P∆V. Isokoorsed protsessid toimuvad konstantse mahuga ja nendel juhtudelW= 0. See jätab siseenergia muutuse võrdseks süsteemile lisatud soojusega:
∆U = Q
Isegi kui te ei saa probleemi ühel viisil lihtsustada, pole paljude protsesside jaoks tehtud ühtegi tööd ega seda saab hõlpsasti arvutada, nii et peamiseks peate saadud või kaotatud soojushulga leidmiseks tegema.
