Kiedy myślisz o słowie „energia”, prawdopodobnie myślisz o czymś w rodzaju energii kinetycznej poruszającego się obiektu, a może energii potencjalnej, którą coś może posiadać dzięki grawitacji.
Jednak w skali mikroskopowejenergia wewnętrznaobiekt, który posiada, jest ważniejszy niż te makroskopowe formy energii. Ta energia ostatecznie wynika z ruchu molekuł i ogólnie łatwiej jest ją zrozumieć i obliczyć, jeśli weźmiemy pod uwagę układ zamknięty, który jest uproszczony, taki jak gaz doskonały.
Jaka jest energia wewnętrzna systemu?
Energia wewnętrzna to całkowita energia zamkniętego układu cząsteczek lub suma molekularnej energii kinetycznej i energii potencjalnej w substancji. Makroskopowe energie kinetyczne i potencjalne nie mają znaczenia dla energii wewnętrznej – jeśli przesuniesz cały układ zamknięty lub zmienić jego energię potencjalną grawitacyjną, energia wewnętrzna pozostaje podobnie.
Jak można się spodziewać po mikroskopijnym układzie, obliczenie energii kinetycznej wielu cząsteczek i ich energii potencjalnej byłoby trudnym – jeśli nie praktycznie niemożliwym – zadaniem. Tak więc w praktyce obliczenia energii wewnętrznej obejmują średnie, a nie żmudny proces bezpośredniego jej obliczania.
Jednym ze szczególnie przydatnych uproszczeń jest traktowanie gazu jako „gazu idealnego”, co do którego zakłada się, że nie ma sił międzycząsteczkowych, a zatem zasadniczo nie ma energii potencjalnej. To sprawia, że proces obliczania energii wewnętrznej systemu jest znacznie prostszy i nie jest daleki od dokładności dla wielu gazów.
Energia wewnętrzna jest czasami nazywana energią cieplną, ponieważ temperatura jest zasadniczo miarą energia wewnętrzna układu – definiowana jako średnia energia kinetyczna cząsteczek w układzie.
Równanie energii wewnętrznej
Równanie energii wewnętrznej jest funkcją stanu, co oznacza, że jego wartość w danym czasie zależy od stanu układu, a nie od tego, jak się tam dostał. W przypadku energii wewnętrznej równanie zależy od liczby moli (lub cząsteczek) w układzie zamkniętym i jego temperatury w stopniach Kelvina.
Energia wewnętrzna gazu doskonałego ma jedno z najprostszych równań:
U = \frac{3}{2} nRT
Gdzienieto liczba moli,Rjest uniwersalną stałą gazową iTto temperatura systemu. Stała gazowa ma wartośćR= 8,3145 J mol−1 K−1lub około 8,3 dżuli na mol na kelwin. Daje to wartość dlaUw dżulach, jak można by się spodziewać po wartości energii, i ma to sens, ponieważ wyższe temperatury i więcej moli substancji prowadzi do wyższej energii wewnętrznej.
Pierwsza zasada termodynamiki
Pierwsza zasada termodynamiki jest jednym z najbardziej użytecznych równań dotyczących energii wewnętrznej i stwierdza: że zmiana energii wewnętrznej układu równa się ciepłu dodanemu do układu minus praca wykonana przez układ (lub,plusPraca skończonanasystem). W symbolach jest to:
∆U = Q-W
To równanie jest naprawdę proste w obsłudze, pod warunkiem, że znasz (lub możesz obliczyć) wymianę ciepła i wykonaną pracę. Jednak wiele sytuacji jeszcze bardziej upraszcza sprawę. W procesie izotermicznym temperatura jest stała, a ponieważ energia wewnętrzna jest funkcją stanu, wiadomo, że zmiana energii wewnętrznej wynosi zero. W procesie adiabatycznym nie ma wymiany ciepła między systemem a jego otoczeniem, więc wartośćQwynosi 0, a równanie staje się:
∆U = -W
Proces izobaryczny to taki, który zachodzi przy stałym ciśnieniu, a to oznacza, że wykonana praca jest równa ciśnieniu pomnożonemu przez zmianę objętości:W = P∆V. Procesy izochoryczne zachodzą ze stałą objętością i w takich przypadkachW= 0. Pozostawia to zmianę energii wewnętrznej równą ilości ciepła dodanego do systemu:
∆U = Q
Nawet jeśli nie możesz uprościć problemu na jeden z tych sposobów, w przypadku wielu procesów nie ma żadnej pracy lub można go łatwo obliczyć, więc najważniejszą rzeczą jest znalezienie ilości uzyskanego lub straconego ciepła zrobić.