आंतरिक ऊर्जा (भौतिकी): परिभाषा, सूत्र और गणना कैसे करें

जब आप "ऊर्जा" शब्द के बारे में सोचते हैं, तो आप शायद किसी गतिमान वस्तु की गतिज ऊर्जा के बारे में सोचते हैं, या हो सकता है कि गुरुत्वाकर्षण के कारण किसी चीज में संभावित ऊर्जा हो।

हालांकि, सूक्ष्म पैमाने पर,आंतरिक ऊर्जाऊर्जा के इन स्थूल रूपों की तुलना में एक वस्तु के पास अधिक महत्वपूर्ण है। यह ऊर्जा अंततः अणुओं की गति से उत्पन्न होती है, और इसे समझना और गणना करना आम तौर पर आसान होता है यदि आप एक बंद प्रणाली को सरल मानते हैं, जैसे कि एक आदर्श गैस।

आंतरिक ऊर्जा अणुओं की एक बंद प्रणाली की कुल ऊर्जा है, या किसी पदार्थ में आणविक गतिज ऊर्जा और संभावित ऊर्जा का योग है। स्थूल गतिज और स्थितिज ऊर्जा आंतरिक ऊर्जा के लिए कोई मायने नहीं रखती - यदि आप संपूर्ण बंद प्रणाली या इसकी गुरुत्वाकर्षण स्थितिज ऊर्जा को बदलने पर आंतरिक ऊर्जा बनी रहती है वही।

जैसा कि आप एक सूक्ष्म प्रणाली के लिए उम्मीद करेंगे, अणुओं की भीड़ और उनकी संभावित ऊर्जाओं की गतिज ऊर्जा की गणना करना एक चुनौतीपूर्ण कार्य होगा - यदि व्यावहारिक रूप से असंभव नहीं है - कार्य। इसलिए व्यवहार में, आंतरिक ऊर्जा की गणना में सीधे गणना करने की श्रमसाध्य प्रक्रिया के बजाय औसत शामिल होता है।

एक विशेष रूप से उपयोगी सरलीकरण एक गैस को "आदर्श गैस" के रूप में मान रहा है, जिसे माना जाता है कि इसमें कोई अंतर-आणविक बल नहीं है और इसलिए अनिवार्य रूप से कोई संभावित ऊर्जा नहीं है। यह सिस्टम की आंतरिक ऊर्जा की गणना की प्रक्रिया को बहुत सरल बनाता है, और यह कई गैसों के लिए सटीक नहीं है।

आंतरिक ऊर्जा को कभी-कभी तापीय ऊर्जा कहा जाता है, क्योंकि तापमान अनिवार्य रूप से का एक माप है सिस्टम की आंतरिक ऊर्जा - इसे सिस्टम में अणुओं की औसत गतिज ऊर्जा के रूप में परिभाषित किया जाता है।

आंतरिक ऊर्जा समीकरण एक राज्य कार्य है, जिसका अर्थ है कि एक निश्चित समय में इसका मूल्य प्रणाली की स्थिति पर निर्भर करता है, न कि यह वहां कैसे पहुंचा। आंतरिक ऊर्जा के लिए, समीकरण बंद प्रणाली में मोल (या अणुओं) की संख्या और केल्विन में इसके तापमान पर निर्भर करता है।

एक आदर्श गैस की आंतरिक ऊर्जा का सबसे सरल समीकरण होता है:

कहा पेनहींमोल्स की संख्या है,आरसार्वत्रिक गैस नियतांक है औरटीसिस्टम का तापमान है। गैस स्थिरांक का मान होता हैआर= ८.३१४५ जे मोल⁻¹ क⁻¹, या लगभग 8.3 जूल प्रति मोल प्रति केल्विन। यह के लिए एक मूल्य देता हैयूजूल में, जैसा कि आप ऊर्जा के मूल्य की अपेक्षा करेंगे, और यह उस उच्च तापमान में समझ में आता है और पदार्थ के अधिक मोल उच्च आंतरिक ऊर्जा की ओर ले जाते हैं।

ऊष्मप्रवैगिकी का पहला नियम आंतरिक ऊर्जा के साथ व्यवहार करते समय सबसे उपयोगी समीकरणों में से एक है, और यह कहता है कि किसी सिस्टम की आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन सिस्टम में जोड़े गए ताप के बराबर होता है, सिस्टम द्वारा किए गए कार्य को घटाता है (या,प्लसकिया गया कामपरप्रणाली)। प्रतीकों में, यह है:

यह समीकरण काम करने के लिए वास्तव में सरल है बशर्ते आप गर्मी हस्तांतरण और किए गए कार्य को जानते हों (या गणना कर सकते हैं)। हालांकि, कई स्थितियां चीजों को और भी सरल बनाती हैं। एक समतापीय प्रक्रिया में, तापमान स्थिर होता है, और चूंकि आंतरिक ऊर्जा एक अवस्था फलन है, आप जानते हैं कि आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन शून्य है। रुद्धोष्म प्रक्रम में, निकाय और उसके परिवेश के बीच कोई ऊष्मा स्थानांतरण नहीं होता है, इसलिए का मानक्यू0 है, और समीकरण बन जाता है:

एक समदाब रेखीय प्रक्रिया वह है जो एक स्थिर दबाव पर होती है, और इसका मतलब है कि किया गया कार्य आयतन में परिवर्तन से गुणा किए गए दबाव के बराबर है:वू​ = ​पी​∆​वी. आइसोकोरिक प्रक्रियाएं निरंतर मात्रा के साथ होती हैं, और इन मामलों मेंवू= 0. यह आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन को सिस्टम में जोड़ी गई गर्मी के बराबर छोड़ देता है:

यदि आप इनमें से किसी एक तरीके से समस्या को सरल नहीं कर सकते हैं, तो भी कई प्रक्रियाओं के लिए कोई काम नहीं हुआ है या इसकी आसानी से गणना की जा सकती है, इसलिए प्राप्त या खोई हुई गर्मी की मात्रा का पता लगाना मुख्य चीज है जिसकी आपको आवश्यकता होगी कर।