Az „energia” szóra gondolva valószínűleg valami olyasmit gondol, mint egy mozgó tárgy mozgási energiája, vagy esetleg azt a potenciális energiát, amely valamivel rendelkezhet a gravitáció miatt.
Mikroszkopikus skálán azonban abelső energiaegy tárgy birtoklása fontosabb, mint ezek a makroszkopikus energiaformák. Ez az energia végső soron a molekulák mozgásából származik, és általában könnyebb megérteni és kiszámítani, ha egyszerűsített zárt rendszert veszünk figyelembe, például ideális gázt.
Mi a rendszer belső energiája?
A belső energia a zárt molekularendszer teljes energiája, vagy az anyag molekuláris kinetikus energiájának és potenciális energiájának összege. A makroszkopikus mozgási és potenciális energiák nem számítanak a belső energiának - ha mozgatja a egész zárt rendszert, vagy megváltoztathatja gravitációs potenciális energiáját, a belső energia továbbra is a azonos.
Ahogy egy mikroszkopikus rendszer esetében elvárható, a molekulák sokaságának és potenciális energiájának kinetikus energiájának kiszámítása kihívást jelentene - ha nem is gyakorlatilag lehetetlen - feladat. Tehát a gyakorlatban a belső energia számításai átlagokat tartalmaznak, nem pedig annak közvetlen kiszámításának fáradságos folyamatát.
Az egyik különösen hasznos leegyszerűsítés a gáz „ideális gázként” való kezelése, amelynek feltételezhetően nincsenek molekulák közötti erői, és így lényegében nincs potenciális energiája. Ez sokkal egyszerűbbé teszi a rendszer belső energiájának kiszámításának folyamatát, és sok gáz esetében sem áll távol a pontosságtól.
A belső energiát néha hőenergiának hívják, mert a hőmérséklet lényegében a egy rendszer belső energiája - ez a rendszerben lévő molekulák átlagos kinetikus energiájaként van meghatározva.
Belső energiaegyenlet
A belső energiaegyenlet egy állapotfüggvény, ami azt jelenti, hogy értéke egy adott időben a rendszer állapotától függ, és nem attól, hogy hogyan került oda. A belső energia esetében az egyenlet függ a zárt rendszerben lévő molok (vagy molekulák) számától és annak hőmérsékletétől Kelvinsben.
Az ideális gáz belső energiájának az egyik legegyszerűbb egyenlete van:
U = \ frac {3} {2} nRT
Holnaz anyajegyek száma,Raz univerzális gázállandó ésTa rendszer hőmérséklete. A gázállandónak megvan az értékeR= 8,3145 J mol−1 K−1, vagy körülbelül 8,3 joule per mol / Kelvin. Ez ad értéket aUjoule-ban, amint az egy energiaértékre számíthat, és van értelme abban, hogy a magasabb hőmérséklet és az anyag több molja magasabb belső energiához vezet.
A termodinamika első törvénye
A termodinamika első törvénye az egyik leghasznosabb egyenlet a belső energiával való foglalkozás során, és kimondja hogy a rendszer belső energiájának változása megegyezik a rendszerhez adott hővel, levonva a rendszer által végzett munkát (vagy,pluszaz elvégzett munkatovábba rendszer). A szimbólumokban ez:
∆U = Q-W
Ez az egyenlet nagyon egyszerűen használható, feltéve, hogy ismeri (vagy ki tudja számolni) a hőátadást és az elvégzett munkát. Sok helyzet azonban még jobban leegyszerűsíti a dolgokat. Egy izoterm folyamatban a hőmérséklet állandó, és mivel a belső energia állapotfüggvény, tudod, hogy a belső energia változása nulla. Adiabatikus folyamatban nincs hőátadás a rendszer és a környezete között, így az értékeQ0, és az egyenlet:
∆U = -W
Az izobáros folyamat állandó nyomáson megy végbe, ami azt jelenti, hogy az elvégzett munka megegyezik a nyomás és a térfogat változásának szorzatával:W = P∆V. Az izokhorikus folyamatok állandó térfogattal fordulnak elő, és ezekben az esetekbenW= 0. Ezáltal a belső energia változása megegyezik a rendszerhez adott hővel:
∆U = Q
Még ha nem is egyszerűsítheti a problémát ezen módszerek egyikével, sok folyamat esetében nincs elvégzett munka vagy könnyen kiszámítható, így a megszerzett vagy elvesztett hőmennyiség megtalálása a legfontosabb dolog csinálni.