Keď si myslíte o slove „energia“, pravdepodobne myslíte na niečo ako kinetickú energiu pohybujúceho sa objektu alebo na potenciálnu energiu, ktorú by niečo mohlo mať vďaka gravitácii.
V mikroskopickom meradle všakvnútorná energiaobjekt vlastní, je dôležitejší ako tieto makroskopické formy energie. Táto energia nakoniec vyplýva z pohybu molekúl a je všeobecne ľahšie ju pochopiť a vypočítať, ak uvažujete o uzavretom systéme, ktorý je zjednodušený, napríklad ideálny plyn.
Čo je to vnútorná energia systému?
Vnútorná energia je celková energia uzavretého systému molekúl alebo súčet molekulovej kinetickej energie a potenciálnej energie v látke. Makroskopická kinetická a potenciálna energia nezáleží na vnútornej energii - ak pohnete celej uzavretej sústavy alebo zmeniť jej gravitačnú potenciálnu energiu, vnútorná energia zostáva to isté.
Ako by ste čakali pre mikroskopický systém, výpočet kinetickej energie množstva molekúl a ich potenciálnych energií by bol náročnou - ak nie prakticky nemožnou úlohou. V praxi teda výpočty vnútornej energie zahŕňajú skôr priemery než namáhavý proces priameho výpočtu.
Jedným obzvlášť užitočným zjednodušením je zaobchádzanie s plynom ako s „ideálnym plynom“, o ktorom sa predpokladá, že nemá žiadne medzimolekulové sily, a teda v podstate žiadnu potenciálnu energiu. Vďaka tomu je proces výpočtu vnútornej energie systému oveľa jednoduchší a pri mnohých plynoch nie je ani zďaleka presný.
Vnútorná energia sa niekedy nazýva tepelná energia, pretože teplota je v podstate mierou vnútorná energia systému - je definovaná ako priemerná kinetická energia molekúl v systéme.
Interná energetická rovnica
Rovnica vnútornej energie je stavová funkcia, čo znamená, že jej hodnota v danom čase závisí od stavu systému, nie od toho, ako sa tam dostal. Pre vnútornú energiu závisí rovnica od počtu mólov (alebo molekúl) v uzavretom systéme a jeho teploty v Kelvinoch.
Vnútorná energia ideálneho plynu má jednu z najjednoduchších rovníc:
U = \ frac {3} {2} nRT
Kdenje počet mólov,Rje univerzálna plynová konštanta aTje teplota systému. Plynová konštanta má hodnotuR= 8,3 145 J mol−1 K−1, alebo okolo 8,3 joulov na mol na Kelvina. To dáva hodnotu preUv jouloch, ako by ste očakávali od hodnoty energie, a má zmysel, že vyššie teploty a viac mólov látky vedú k vyššej vnútornej energii.
Prvý zákon termodynamiky
Prvý zákon termodynamiky je jednou z najužitočnejších rovníc pri práci s vnútornou energiou a uvádza ju že zmena vnútornej energie systému sa rovná teplu pridanému do systému mínus práca vykonaná systémom (aleboplusvykonaná prácanasystém). V symboloch je to:
∆U = Q-W
S touto rovnicou sa dá naozaj ľahko pracovať, ak viete (alebo viete vypočítať) prenos tepla a vykonanú prácu. Mnoho situácií však veci ešte viac zjednodušuje. V izotermickom procese je teplota konštantná a keďže vnútorná energia je stavovou funkciou, viete, že zmena vnútornej energie je nulová. Pri adiabatickom procese nedochádza k prenosu tepla medzi systémom a jeho okolím, takže hodnotaQje 0 a rovnica sa stáva:
∆U = -W
Izobarický proces je proces, ktorý sa vyskytuje pri konštantnom tlaku, čo znamená, že vykonaná práca sa rovná tlaku vynásobenému zmenou objemu:Ž = P∆V.. Izochorické procesy prebiehajú pri konštantnom objeme av týchto prípadochŽ= 0. To ponecháva zmenu vnútornej energie na rovnakej hodnote ako teplo pridané do systému:
∆U = Q
Aj keď problém nemôžete zjednodušiť jedným z týchto spôsobov, pre mnoho procesov sa nevykonáva žiadna práca alebo dá sa ľahko vypočítať, takže hľadanie množstva získaného alebo strateného tepla je hlavná vec, ktorú musíte urobiť robiť.