เมื่อคุณนึกถึงคำว่า "พลังงาน" คุณอาจนึกถึงบางอย่าง เช่น พลังงานจลน์ของวัตถุเคลื่อนที่ หรือพลังงานศักย์ที่อาจมีอยู่เนื่องจากแรงโน้มถ่วง
อย่างไรก็ตาม ในระดับจุลทรรศน์กำลังภายในวัตถุที่ครอบครองมีความสำคัญมากกว่าพลังงานรูปแบบมหภาคเหล่านี้ พลังงานนี้เป็นผลมาจากการเคลื่อนที่ของโมเลกุลในที่สุด และโดยทั่วไปจะเข้าใจและคำนวณได้ง่ายขึ้นหากคุณพิจารณาระบบปิดที่ลดความซับซ้อน เช่น ก๊าซในอุดมคติ
พลังงานภายในของระบบคืออะไร?
พลังงานภายในคือพลังงานทั้งหมดของระบบปิดของโมเลกุล หรือผลรวมของพลังงานจลน์ของโมเลกุลและพลังงานศักย์ในสาร จลนศาสตร์มหภาคและพลังงานศักย์ไม่สำคัญสำหรับพลังงานภายใน – ถ้าคุณย้าย ทั้งระบบปิดหรือเปลี่ยนพลังงานศักย์โน้มถ่วง พลังงานภายในยังคงเป็น เหมือนกัน.
อย่างที่คุณคาดหวังสำหรับระบบจุลทรรศน์ การคำนวณพลังงานจลน์ของโมเลกุลจำนวนมากและพลังงานที่มีศักยภาพของพวกมันจะเป็นงานที่ท้าทาย - ถ้าไม่ใช่เป็นไปไม่ได้ในทางปฏิบัติ ดังนั้นในทางปฏิบัติ การคำนวณพลังงานภายในจึงเกี่ยวข้องกับค่าเฉลี่ยมากกว่ากระบวนการที่ต้องใช้ความอุตสาหะในการคำนวณโดยตรง
การทำให้เข้าใจง่ายที่มีประโยชน์อย่างยิ่งอย่างหนึ่งคือ การบำบัดแก๊สให้เป็น "ก๊าซในอุดมคติ" ซึ่งถือว่าไม่มีแรงระหว่างโมเลกุลและด้วยเหตุนี้โดยพื้นฐานแล้วไม่มีพลังงานศักย์ ทำให้กระบวนการคำนวณพลังงานภายในของระบบง่ายขึ้นมาก และไม่ได้ห่างไกลจากความแม่นยำสำหรับก๊าซหลายชนิด
พลังงานภายในบางครั้งเรียกว่าพลังงานความร้อน เนื่องจากอุณหภูมิเป็นตัววัดของ พลังงานภายในของระบบ – ถูกกำหนดให้เป็นพลังงานจลน์เฉลี่ยของโมเลกุลในระบบ
สมการพลังงานภายใน
สมการพลังงานภายในเป็นฟังก์ชันสถานะ ซึ่งหมายความว่าค่าในเวลาที่กำหนดขึ้นอยู่กับสถานะของระบบ ไม่ใช่วิธีที่ได้มา สำหรับพลังงานภายใน สมการจะขึ้นอยู่กับจำนวนโมล (หรือโมเลกุล) ในระบบปิดและอุณหภูมิของระบบในหน่วยเคลวิน
พลังงานภายในของก๊าซในอุดมคติมีสมการง่าย ๆ ข้อหนึ่งดังนี้
U = \frac{3}{2} nRT
ที่ไหนนคือจำนวนโมลRเป็นค่าคงที่แก๊สสากลและตู่คือ อุณหภูมิของระบบ ค่าคงที่ของแก๊สมีค่าR= 8.3145 J โมล−1 K−1หรือประมาณ 8.3 จูลต่อโมลต่อเคลวิน สิ่งนี้ให้ค่าสำหรับยูในหน่วยจูล ตามที่คุณคาดหวังสำหรับค่าพลังงาน และมันสมเหตุสมผลแล้วที่อุณหภูมิสูงขึ้นและจำนวนโมลของสารที่มากขึ้นจะนำไปสู่พลังงานภายในที่สูงขึ้น
กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์
กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์เป็นหนึ่งในสมการที่มีประโยชน์ที่สุดเมื่อต้องจัดการกับพลังงานภายใน และระบุว่า ว่าการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในของระบบเท่ากับความร้อนที่เพิ่มเข้าไปในระบบลบด้วยงานที่ทำโดยระบบ (หรือ,บวกงานที่ทำบนระบบ). ในสัญลักษณ์ นี่คือ:
∆U = Q-W
สมการนี้ใช้งานได้ง่ายมากหากคุณทราบ (หรือสามารถคำนวณได้) การถ่ายเทความร้อนและงานที่ทำ อย่างไรก็ตาม หลายสถานการณ์ทำให้สิ่งต่างๆ ง่ายขึ้นไปอีก ในกระบวนการไอโซเทอร์มอล อุณหภูมิจะคงที่ และเนื่องจากพลังงานภายในเป็นฟังก์ชันสถานะ คุณจึงรู้ว่าการเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายในเป็นศูนย์ ในกระบวนการอะเดียแบติก ไม่มีการถ่ายเทความร้อนระหว่างระบบกับสภาพแวดล้อม ดังนั้นค่าของคิวคือ 0 และสมการจะกลายเป็น:
∆U = -W
กระบวนการไอโซบาริกคือกระบวนการที่เกิดขึ้นที่ความดันคงที่ ซึ่งหมายความว่างานที่ทำนั้นมีค่าเท่ากับความดันคูณด้วยการเปลี่ยนแปลงของปริมาตร:W = พี∆วี. กระบวนการไอโซคอริกเกิดขึ้นโดยมีปริมาตรคงที่ และในกรณีเหล่านี้W= 0. สิ่งนี้ทำให้การเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายในเท่ากับความร้อนที่เพิ่มเข้าไปในระบบ:
∆U = Q
แม้ว่าคุณจะไม่สามารถลดความซับซ้อนของปัญหาด้วยวิธีใดวิธีหนึ่งเหล่านี้ แต่สำหรับหลาย ๆ กระบวนการก็ไม่มีงานทำหรือ คำนวณได้ง่าย ดังนั้นการหาปริมาณความร้อนที่ได้รับหรือสูญเสียจึงเป็นสิ่งสำคัญที่สุด ทำ.