Energia interna (fisica): definizione, formula e come calcolare

Quando pensi alla parola "energia", probabilmente pensi a qualcosa come l'energia cinetica di un oggetto in movimento, o forse l'energia potenziale che qualcosa potrebbe possedere a causa della gravità.

Tuttavia, su scala microscopica, ilEnergia internaun oggetto possiede è più importante di queste forme macroscopiche di energia. Questa energia risulta in definitiva dal movimento delle molecole ed è generalmente più facile da capire e calcolare se si considera un sistema chiuso semplificato, come un gas ideale.

L'energia interna è l'energia totale di un sistema chiuso di molecole, o la somma dell'energia cinetica molecolare e dell'energia potenziale in una sostanza. Le energie cinetiche e potenziali macroscopiche non contano per l'energia interna - se muovi il intero sistema chiuso o cambiare la sua energia potenziale gravitazionale, l'energia interna rimane la stesso.

Come ci si aspetterebbe da un sistema microscopico, calcolare l'energia cinetica della moltitudine di molecole e le loro energie potenziali sarebbe un compito impegnativo, se non praticamente impossibile. Quindi, in pratica, i calcoli per l'energia interna coinvolgono le medie piuttosto che il faticoso processo di calcolarla direttamente.

Una semplificazione particolarmente utile consiste nel trattare un gas come un "gas ideale", che si presume non abbia forze intermolecolari e quindi essenzialmente energia potenziale. Ciò rende il processo di calcolo dell'energia interna del sistema molto più semplice e non è lontano dall'essere accurato per molti gas.

L'energia interna è talvolta chiamata energia termica, perché la temperatura è essenzialmente una misura della energia interna di un sistema - è definita come l'energia cinetica media delle molecole nel sistema.

L'equazione dell'energia interna è una funzione di stato, il che significa che il suo valore in un dato momento dipende dallo stato del sistema, non da come ci è arrivato. Per l'energia interna, l'equazione dipende dal numero di moli (o molecole) nel sistema chiuso e dalla sua temperatura in Kelvin.

L'energia interna di un gas ideale ha una delle equazioni più semplici:

Dovenè il numero di moli,Rè la costante universale dei gas eTè la temperatura del sistema. La costante del gas ha il valoreR= 8,3145 J moli⁻¹ K⁻¹, o circa 8,3 joule per mole per Kelvin. Questo dà un valore pertuin joule, come ci si aspetterebbe per un valore di energia, e ha senso in quanto temperature più elevate e più moli della sostanza portano a una maggiore energia interna.

La prima legge della termodinamica è una delle equazioni più utili quando si tratta di energia interna e afferma che la variazione di energia interna di un sistema è uguale al calore aggiunto al sistema meno il lavoro svolto dal sistema (o,piùil lavoro fattosoprail sistema). In simboli, questo è:

Questa equazione è davvero semplice da utilizzare, a condizione che tu conosca (o puoi calcolare) il trasferimento di calore e il lavoro svolto. Tuttavia, molte situazioni semplificano ulteriormente le cose. In un processo isotermico, la temperatura è costante e poiché l'energia interna è una funzione di stato, sai che la variazione dell'energia interna è zero. In un processo adiabatico, non c'è trasferimento di calore tra il sistema e l'ambiente circostante, quindi il valore diQè 0 e l'equazione diventa:

Un processo isobarico è quello che avviene a pressione costante, e questo significa che il lavoro svolto è uguale alla pressione moltiplicata per la variazione di volume:W​ = ​P​∆​V. I processi isocori avvengono a volume costante, e in questi casiW= 0. Questo lascia la variazione di energia interna uguale al calore aggiunto al sistema:

Anche se non è possibile semplificare il problema in uno di questi modi, per molti processi non c'è lavoro svolto o può essere facilmente calcolato, quindi trovare la quantità di calore guadagnato o perso è la cosa principale di cui hai bisogno fare.