İç Enerji (Fizik): Tanım, Formül ve Nasıl Hesaplanır

"Enerji" kelimesini düşündüğünüzde, muhtemelen hareketli bir nesnenin kinetik enerjisi gibi bir şey düşünürsünüz veya belki bir şeyin yerçekimi nedeniyle sahip olabileceği potansiyel enerji.

Ancak, mikroskobik ölçekte,içsel enerjiBir nesnenin sahip olduğu şey, bu makroskopik enerji biçimlerinden daha önemlidir. Bu enerji nihayetinde moleküllerin hareketinden kaynaklanır ve ideal gaz gibi basitleştirilmiş kapalı bir sistemi göz önünde bulundurursanız, anlamak ve hesaplamak genellikle daha kolaydır.

İç enerji, kapalı bir molekül sisteminin toplam enerjisi veya bir maddedeki moleküler kinetik enerji ile potansiyel enerjinin toplamıdır. Makroskopik kinetik ve potansiyel enerjiler iç enerji için önemli değildir - eğer hareket ettirirseniz tüm kapalı sistem veya yerçekimi potansiyel enerjisini değiştirin, iç enerji kalır aynı.

Mikroskobik bir sistemden bekleyeceğiniz gibi, çok sayıda molekülün kinetik enerjisini ve potansiyel enerjilerini hesaplamak, pratik olarak imkansız değilse de zorlu bir görev olacaktır. Dolayısıyla pratikte, iç enerji hesaplamaları, doğrudan hesaplama zahmetli sürecinden ziyade ortalamaları içerir.

Özellikle yararlı bir basitleştirme, bir gazın moleküller arası kuvvetlere ve dolayısıyla esasen potansiyel enerjiye sahip olmadığı varsayılan bir "ideal gaz" olarak ele alınmasıdır. Bu, sistemin iç enerjisinin hesaplanması sürecini çok daha basit hale getirir ve birçok gaz için doğru olmaktan uzak değildir.

İç enerji bazen termal enerji olarak adlandırılır, çünkü sıcaklık esasen bir sistemin iç enerjisi – sistemdeki moleküllerin ortalama kinetik enerjisi olarak tanımlanır.

İç enerji denklemi bir durum fonksiyonudur, yani belirli bir andaki değeri, oraya nasıl ulaştığına değil, sistemin durumuna bağlıdır. İç enerji için denklem, kapalı sistemdeki mol (veya molekül) sayısına ve Kelvin cinsinden sıcaklığına bağlıdır.

İdeal bir gazın iç enerjisi en basit denklemlerden birine sahiptir:

Neredenmol sayısıdır,$evrensel gaz sabitidir veTsistemin sıcaklığıdır. Gaz sabiti şu değere sahiptir:$= 8.3145 J mol⁻¹ K⁻¹veya Kelvin başına mol başına yaklaşık 8,3 joule. Bu bir değer verirsenbir enerji değeri için beklediğiniz gibi joule cinsindendir ve daha yüksek sıcaklıkların ve maddenin daha fazla molünün daha yüksek bir iç enerjiye yol açması mantıklıdır.

Termodinamiğin birinci yasası, iç enerjiyle uğraşırken en faydalı denklemlerden biridir ve şöyle der: bir sistemin iç enerjisindeki değişimin sisteme eklenen ısıdan sistem tarafından yapılan işin çıkarılmasına eşit olduğunu (veya,artıİş bittiüzerindesistem). Sembollerde, bu:

Bu denklem, ısı transferini ve yapılan işi bilmeniz (veya hesaplayabilmeniz) şartıyla çalışmak gerçekten basittir. Bununla birlikte, birçok durum işleri daha da basitleştirir. İzotermal bir süreçte sıcaklık sabittir ve iç enerji bir durum fonksiyonu olduğundan, iç enerjideki değişimin sıfır olduğunu bilirsiniz. Adyabatik bir süreçte, sistem ile çevresi arasında ısı transferi yoktur, bu nedenleS0 ve denklem şöyle olur:

Bir izobarik süreç, sabit bir basınçta meydana gelen bir süreçtir ve bu, yapılan işin, hacimdeki değişiklikle çarpılan basınca eşit olduğu anlamına gelir:W​ = ​P​∆​V. İzokorik süreçler sabit bir hacimde meydana gelir ve bu durumlardaW= 0. Bu, iç enerjideki değişimi sisteme eklenen ısıya eşit olarak bırakır:

Problemi bu yollardan biriyle basitleştiremeseniz bile, birçok işlem için yapılan bir iş veya yapılan bir iş yoktur. kolayca hesaplanabilir, bu nedenle kazanılan veya kaybedilen ısı miktarını bulmak, yapmanız gereken en önemli şeydir. yapmak.