Ketika Anda memikirkan kata "energi", Anda mungkin berpikir tentang sesuatu seperti energi kinetik dari benda yang bergerak, atau mungkin energi potensial yang dimiliki sesuatu karena gravitasi.
Namun, pada skala mikroskopis,energi dalamyang dimiliki suatu objek lebih penting daripada bentuk energi makroskopik ini. Energi ini pada akhirnya dihasilkan dari gerakan molekul, dan umumnya lebih mudah untuk dipahami dan dihitung jika Anda mempertimbangkan sistem tertutup yang disederhanakan, seperti gas ideal.
Apa Energi Internal Sistem?
Energi internal adalah energi total dari sistem molekul tertutup, atau jumlah energi kinetik molekul dan energi potensial dalam suatu zat. Energi kinetik dan potensial makroskopik tidak masalah untuk energi internal – jika Anda memindahkan seluruh sistem tertutup atau mengubah energi potensial gravitasinya, energi internal tetap sama.
Seperti yang Anda harapkan untuk sistem mikroskopis, menghitung energi kinetik dari banyak molekul dan energi potensialnya akan menjadi tugas yang menantang – jika bukan tidak mungkin – tugas. Jadi dalam praktiknya, perhitungan untuk energi internal melibatkan rata-rata daripada proses yang melelahkan untuk menghitungnya secara langsung.
Salah satu penyederhanaan yang sangat berguna adalah memperlakukan gas sebagai "gas ideal", yang diasumsikan tidak memiliki gaya antarmolekul dan karenanya pada dasarnya tidak memiliki energi potensial. Ini membuat proses penghitungan energi internal sistem menjadi lebih sederhana, dan tidak jauh dari akurat untuk banyak gas.
Energi internal kadang-kadang disebut energi panas, karena suhu pada dasarnya adalah ukuran dari energi internal suatu sistem - itu didefinisikan sebagai energi kinetik rata-rata molekul dalam sistem.
Persamaan Energi Internal
Persamaan energi internal adalah fungsi keadaan, yang berarti nilainya pada waktu tertentu tergantung pada keadaan sistem, bukan bagaimana sampai di sana. Untuk energi internal, persamaan tergantung pada jumlah mol (atau molekul) dalam sistem tertutup dan suhunya dalam Kelvin.
Energi internal gas ideal memiliki salah satu persamaan paling sederhana:
U = \frac{3}{2} nRT
Dimanatidakadalah jumlah mol,Radalah konstanta gas universal danTadalah suhu sistem. Konstanta gas memiliki nilaiR= 8,3145 J mol−1 K−1, atau sekitar 8,3 joule per mol per Kelvin. Ini memberikan nilai untukkamudalam joule, seperti yang Anda harapkan untuk nilai energi, dan masuk akal jika suhu yang lebih tinggi dan lebih banyak mol zat menghasilkan energi internal yang lebih tinggi.
Hukum Pertama Termodinamika
Hukum pertama termodinamika adalah salah satu persamaan yang paling berguna ketika berhadapan dengan energi internal, dan menyatakan: bahwa perubahan energi internal suatu sistem sama dengan panas yang ditambahkan ke sistem dikurangi kerja yang dilakukan oleh sistem (atau,pluspekerjaan selesaidisistem). Dalam simbol, ini adalah:
U = Q-W
Persamaan ini sangat sederhana untuk dikerjakan asalkan Anda mengetahui (atau dapat menghitung) perpindahan panas dan kerja yang dilakukan. Namun, banyak situasi menyederhanakan banyak hal lebih jauh. Dalam proses isotermal, suhunya konstan, dan karena energi internal adalah fungsi keadaan, Anda tahu bahwa perubahan energi internal adalah nol. Dalam proses adiabatik, tidak ada perpindahan panas antara sistem dan lingkungannya, sehingga nilaiQadalah 0, dan persamaannya menjadi:
U = -W
Proses isobarik adalah proses yang terjadi pada tekanan konstan, dan ini berarti bahwa pekerjaan yang dilakukan sama dengan tekanan dikalikan dengan perubahan volume:W = P∆V. Proses isokhorik terjadi dengan volume konstan, dan dalam kasus iniW= 0. Ini membuat perubahan energi internal sama dengan panas yang ditambahkan ke sistem:
U = Q
Bahkan jika Anda tidak dapat menyederhanakan masalah dengan salah satu cara ini, untuk banyak proses, tidak ada pekerjaan yang dilakukan atau itu dapat dengan mudah dihitung, jadi menemukan jumlah panas yang didapat atau hilang adalah hal utama yang Anda perlukan melakukan.