Когда вы думаете о слове «энергия», вы, вероятно, думаете о чем-то вроде кинетической энергии движущегося объекта или, возможно, о потенциальной энергии, которой что-то может обладать из-за гравитации.
Однако в микроскопическом масштабевнутренняя энергияобъект обладает более важным, чем эти макроскопические формы энергии. Эта энергия в конечном итоге является результатом движения молекул, и ее, как правило, легче понять и вычислить, если вы рассмотрите упрощенную замкнутую систему, такую как идеальный газ.
Что такое внутренняя энергия системы?
Внутренняя энергия - это полная энергия замкнутой системы молекул или сумма молекулярной кинетической энергии и потенциальной энергии в веществе. Макроскопическая кинетическая и потенциальная энергии не имеют значения для внутренней энергии - если вы переместите всю замкнутую систему или изменить ее гравитационную потенциальную энергию, внутренняя энергия остается одно и тоже.
Как и следовало ожидать от микроскопической системы, вычисление кинетической энергии множества молекул и их потенциальной энергии было бы сложной - если не практически невозможной - задачей. Таким образом, на практике вычисления внутренней энергии включают в себя средние значения, а не кропотливый процесс ее прямого вычисления.
Одним из особенно полезных упрощений является рассмотрение газа как «идеального газа», который, как предполагается, не имеет межмолекулярных сил и, следовательно, практически не имеет потенциальной энергии. Это значительно упрощает процесс расчета внутренней энергии системы, и он не так уж и точен для многих газов.
Внутреннюю энергию иногда называют тепловой энергией, потому что температура, по сути, является мерой внутренняя энергия системы - это средняя кинетическая энергия молекул в системе.
Уравнение внутренней энергии
Уравнение внутренней энергии - это функция состояния, что означает, что его значение в данный момент времени зависит от состояния системы, а не от того, как она туда попала. Для внутренней энергии уравнение зависит от числа молей (или молекул) в замкнутой системе и ее температуры в градусах Кельвина.
Внутренняя энергия идеального газа имеет одно из простейших уравнений:
U = \ frac {3} {2} nRT
Гдепэто количество родинок,р- универсальная газовая постоянная, аТэто температура системы. Газовая постоянная имеет значениер= 8,3145 Дж моль−1 K−1, или около 8,3 джоулей на моль на Кельвин. Это дает значение дляUв джоулях, как и следовало ожидать от величины энергии, и это имеет смысл, поскольку более высокие температуры и большее количество молей вещества приводят к более высокой внутренней энергии.
Первый закон термодинамики
Первый закон термодинамики - одно из самых полезных уравнений при работе с внутренней энергией, и он гласит: что изменение внутренней энергии системы равно количеству тепла, добавляемого в систему, за вычетом работы, выполняемой системой. (или же,плюспроделанная работанасистема). В символах это:
∆U = Q-W
С этим уравнением действительно просто работать, если вы знаете (или можете рассчитать) теплопередачу и проделанную работу. Однако многие ситуации еще больше упрощают ситуацию. В изотермическом процессе температура постоянна, и поскольку внутренняя энергия является функцией состояния, вы знаете, что изменение внутренней энергии равно нулю. В адиабатическом процессе теплопередача между системой и ее окружением отсутствует, поэтому значениеQравно 0, и уравнение принимает следующий вид:
∆U = -W
Изобарический процесс - это процесс, который происходит при постоянном давлении, и это означает, что проделанная работа равна давлению, умноженному на изменение объема:W = п∆V. Изохорические процессы происходят с постоянным объемом, и в этих случаяхW= 0. Это оставляет изменение внутренней энергии равным теплу, добавленному в систему:
∆U = Q
Даже если вы не можете упростить задачу одним из этих способов, для многих процессов работа не выполняется или его легко вычислить, поэтому определение количества тепла, полученного или потерянного, - это главное, что вам нужно делать.