Ko pomislite na besedo "energija", verjetno pomislite na nekaj podobnega kinetični energiji premikajočega se predmeta ali morda potencialni energiji, ki bi jo lahko nekaj imelo zaradi gravitacije.
Vendar pa je na mikroskopskem merilunotranja energijapredmet ima pomembnejši od teh makroskopskih oblik energije. Ta energija je na koncu posledica gibanja molekul in na splošno je lažje razumeti in izračunati, če upoštevate poenostavljen zaprt sistem, na primer idealen plin.
Kaj je notranja energija sistema?
Notranja energija je skupna energija zaprtega sistema molekul ali vsota molekularne kinetične energije in potencialne energije v snovi. Makroskopske kinetične in potencialne energije niso pomembne za notranjo energijo - če jo premaknete celotnega zaprtega sistema ali spremeni njegovo gravitacijsko potencialno energijo, notranja energija ostane enako.
Kot bi pričakovali za mikroskopski sistem, bi bilo izračunavanje kinetične energije množice molekul in njihovih potencialnih energij zahtevna, če ne celo praktično nemogoča naloga. V praksi torej izračuni za notranjo energijo vključujejo povprečja in ne mukotrpen postopek neposrednega izračuna.
Še posebej koristna poenostavitev je obravnavanje plina kot "idealnega plina", za katerega se domneva, da nima medmolekularnih sil in zato v bistvu nima potencialne energije. Tako je postopek izračuna notranje energije sistema veliko enostavnejši in za številne pline še zdaleč ni natančen.
Notranji energiji včasih pravimo tudi toplotna energija, ker je temperatura v bistvu merilo notranja energija sistema - definirana je kot povprečna kinetična energija molekul v sistemu.
Enačba notranje energije
Enačba notranje energije je funkcija stanja, kar pomeni, da je njena vrednost v določenem trenutku odvisna od stanja sistema in ne od tega, kako je prišel tja. Za notranjo energijo je enačba odvisna od števila molov (ali molekul) v zaprtem sistemu in njegove temperature v Kelvinih.
Notranja energija idealnega plina ima eno najpreprostejših enačb:
U = \ frac {3} {2} nRT
Kjenje število molov,Rje univerzalna plinska konstanta inTje temperatura sistema. Plinska konstanta ima vrednostR= 8,3145 J mol−1 K−1ali približno 8,3 džula na mol na Kelvina. To daje vrednost zaUv džulih, kot bi pričakovali za vrednost energije, in smiselno je, da višje temperature in več molov snovi vodijo k večji notranji energiji.
Prvi zakon termodinamike
Prvi zakon termodinamike je ena najbolj uporabnih enačb pri obravnavi notranje energije in navaja da je sprememba notranje energije sistema enaka toploti, dodani sistemu, minus delo, ki ga sistem opravi (ali,plusopravljeno delonasistem). V simbolih je to:
∆U = Q-W
S to enačbo je zelo enostavno delati, če poznate (ali lahko izračunate) prenos toplote in opravljeno delo. Vendar številne situacije stvari še dodatno poenostavijo. V izotermičnem procesu je temperatura konstantna in ker je notranja energija funkcija stanja, veste, da je sprememba notranje energije enaka nič. V adiabatskem procesu med sistemom in okolico ni prenosa toplote, zato je vrednostVje 0, enačba pa postane:
∆U = -W
Izobarični proces je proces, ki se pojavi pri konstantnem tlaku, kar pomeni, da je opravljeno delo enako tlaku, pomnoženemu s spremembo prostornine:W = P∆V. Izohorni procesi se pojavljajo s konstantno prostornino in v teh primerihW= 0. Tako ostane sprememba notranje energije enaka toploti, dodani sistemu:
∆U = Q
Tudi če težave ne morete poenostaviti na enega od teh načinov, za številne procese ni opravljenega dela oz to je enostavno izračunati, zato je najti količino pridobljene ali izgubljene toplote glavna stvar, ki jo boste morali naredi.
