Galvodami apie žodį „energija“, tikriausiai galvojate apie kažką panašaus į judančio objekto kinetinę energiją, o gal potencialią energiją, kurią kažkas gali turėti dėl gravitacijos.
Tačiau mikroskopiniu mastuvidinė energijaobjekto turėjimas yra svarbesnis už šias makroskopines energijos formas. Ši energija galiausiai atsiranda dėl molekulių judėjimo, ir paprastai ją lengviau suprasti ir apskaičiuoti, jei atsižvelgsite į uždarą sistemą, kuri yra supaprastinta, pavyzdžiui, idealias dujas.
Kas yra sistemos vidinė energija?
Vidinė energija yra visa uždaros molekulių sistemos energija arba molekulėje esančios molekulinės kinetinės energijos ir potencialios energijos suma. Makroskopinės kinetinės ir potencialios energijos neturi reikšmės vidinei energijai - jei judinate visą uždarą sistemą arba pakeisti jos gravitacinę potencialą, vidinė energija lieka tas pats.
Kaip galima tikėtis naudojant mikroskopinę sistemą, apskaičiuoti daugybės molekulių kinetinę energiją ir jų potencialias energijas būtų sudėtinga - jei ne praktiškai neįmanoma - užduotis. Taigi praktiškai vidinės energijos skaičiavimai apima vidurkius, o ne kruopštų procesą tiesiogiai ją apskaičiuojant.
Ypač naudingas supaprastinimas yra dujų laikymas „idealiomis dujomis“, kurios, kaip manoma, neturi tarpmolekulinių jėgų ir todėl iš esmės neturi potencialios energijos. Dėl to sistemos vidinės energijos skaičiavimo procesas yra daug paprastesnis, ir jis nėra toli gražu netikslus daugeliui dujų.
Vidinė energija kartais vadinama šilumine energija, nes temperatūra iš esmės yra matas vidinė sistemos energija - ji apibrėžiama kaip vidutinė sistemos molekulių kinetinė energija.
Vidinė energijos lygtis
Vidinė energijos lygtis yra būsenos funkcija, o tai reiškia, kad jos vertė tam tikru laiku priklauso nuo sistemos būsenos, o ne nuo to, kaip ji ten pateko. Vidinei energijai lygtis priklauso nuo molių (arba molekulių) skaičiaus uždaroje sistemoje ir jos temperatūros Kelvinais.
Idealių dujų vidinė energija turi vieną iš paprasčiausių lygčių:
U = \ frac {3} {2} nRT
Kurnyra apgamų skaičius,Ryra universali dujų konstanta irTyra sistemos temperatūra. Dujų konstanta turi vertęR= 8,3145 J mol−1 K.−1, arba maždaug 8,3 džaulių už molį per Kelviną. Tai suteikia reikšmęUdžauliais, kaip galima tikėtis dėl energijos vertės, ir tai yra prasminga tuo, kad aukštesnė temperatūra ir daugiau molio medžiagos lemia didesnę vidinę energiją.
Pirmasis termodinamikos dėsnis
Pirmasis termodinamikos dėsnis yra viena iš naudingiausių lygčių sprendžiant vidinę energiją, ir ji teigia kad sistemos vidinės energijos pokytis yra lygus sistemai pridedamai šilumai atėmus sistemos atliktą darbą (arbapliusasatliktą darbąantsistema). Simboliuose tai yra:
=U = Q-W
Ši lygtis yra tikrai paprasta, jei žinote (arba galite apskaičiuoti) šilumos perdavimą ir atliktą darbą. Tačiau daugelis situacijų viską dar labiau supaprastina. Izoterminiame procese temperatūra yra pastovi, o kadangi vidinė energija yra būsenos funkcija, jūs žinote, kad vidinės energijos pokytis yra lygus nuliui. Adiabatinio proceso metu nėra šilumos perdavimo tarp sistemos ir jos aplinkos, todėl vertėKlausimasyra 0, o lygtis tampa:
∆U = -W
Izobarinis procesas vyksta pastoviu slėgiu, o tai reiškia, kad atliktas darbas yra lygus slėgiui, padaugintam iš tūrio pokyčio:W = P∆V. Izoforiniai procesai vyksta pastoviu tūriu ir šiais atvejaisW= 0. Tai palieka vidinės energijos pokytį lygų sistemai pridedamai šilumai:
∆U = Q
Net jei negalite supaprastinti problemos vienu iš šių būdų, daugeliui procesų nėra atliktas darbas ją galima lengvai apskaičiuoti, todėl surasti gautą ar prarastą šilumos kiekį yra pagrindinis dalykas, kurio jums reikės padaryti.