Kad pomislite na riječ "energija", vjerojatno mislite na nešto poput kinetičke energije predmeta u pokretu ili možda na potencijalnu energiju koju nešto može posjedovati zbog gravitacije.
Međutim, na mikroskopskoj skali,unutarnja energijaobjekt posjeduje važniji je od ovih makroskopskih oblika energije. Ta energija u konačnici proizlazi iz gibanja molekula i općenito je lakše razumjeti i izračunati ako uzmete u obzir pojednostavljeni zatvoreni sustav, poput idealnog plina.
Što je unutarnja energija sustava?
Unutarnja energija je ukupna energija zatvorenog sustava molekula ili zbroj molekularne kinetičke energije i potencijalne energije u tvari. Makroskopska kinetička i potencijalna energija nisu važne za unutarnju energiju - ako pomičete cijeli zatvoreni sustav ili promijeni njegovu gravitacijsku potencijalnu energiju, unutarnja energija ostaje isti.
Kao što biste očekivali za mikroskopski sustav, izračunavanje kinetičke energije mnoštva molekula i njihovih potencijalnih energija bio bi izazovan - ako ne i praktički nemoguć - zadatak. Dakle, u praksi izračuni za unutarnju energiju uključuju prosjeke, a ne mukotrpan postupak njezinog izravnog izračuna.
Jedno posebno korisno pojednostavljenje je tretiranje plina kao "idealnog plina", za koji se pretpostavlja da nema međumolekularne sile, a time u biti i potencijalnu energiju. To čini postupak izračuna unutarnje energije sustava mnogo jednostavnijim i nije daleko od preciznog za mnoge plinove.
Unutarnja energija se ponekad naziva toplinska energija, jer je temperatura u osnovi mjera za unutarnja energija sustava - definirana je kao prosječna kinetička energija molekula u sustavu.
Jednadžba unutarnje energije
Jednadžba interne energije je funkcija stanja, što znači da njezina vrijednost u određenom trenutku ovisi o stanju sustava, a ne o tome kako je tamo stigao. Za unutarnju energiju jednadžba ovisi o broju molova (ili molekula) u zatvorenom sustavu i njegovoj temperaturi u Kelvinima.
Unutarnja energija idealnog plina ima jednu od najjednostavnijih jednadžbi:
U = \ frac {3} {2} nRT
Gdjenje broj madeža,Rje univerzalna plinska konstanta iTje temperatura sustava. Konstanta plina ima vrijednostR= 8,3145 J mol−1 K−1ili oko 8,3 džula po molu po Kelvinu. To daje vrijednost zaUu džulima, kao što biste očekivali za vrijednost energije, i ima smisla u tome što više temperature i više molova tvari dovode do veće unutarnje energije.
Prvi zakon termodinamike
Prvi zakon termodinamike jedna je od najkorisnijih jednadžbi u radu s unutarnjom energijom i navodi da je promjena unutarnje energije sustava jednaka toplini dodanoj sustavu umanjenoj za rad sustava (ili,plusobavljeni posaonasustav). U simbolima je ovo:
∆U = Q-W
S ovom je jednadžbom zaista jednostavno raditi pod uvjetom da znate (ili možete izračunati) prijenos topline i obavljeni posao. Međutim, mnoge situacije stvari još više pojednostavljuju. U izotermnom procesu temperatura je konstantna, a budući da je unutarnja energija funkcija stanja, znate da je promjena unutarnje energije jednaka nuli. U adijabatskom procesu nema prijenosa topline između sustava i okoline, pa je vrijednostPje 0, a jednadžba postaje:
∆U = -W
Izobarski postupak je onaj koji se događa pod konstantnim tlakom, a to znači da je obavljeni rad jednak tlaku pomnoženom s promjenom volumena:W = Str∆V. Izohorni procesi događaju se s konstantnim volumenom, i to u tim slučajevimaW= 0. To ostavlja promjenu unutarnje energije jednakom toplini dodanoj u sustav:
∆U = Q
Čak i ako ne možete pojednostaviti problem na jedan od ovih načina, za mnoge procese nema posla ili to se lako može izračunati, pa je pronalaženje dobivene ili izgubljene topline glavna stvar koju ćete trebati čini.