Коли ви думаєте про слово «енергія», ви, мабуть, думаєте про щось на зразок кінетичної енергії об’єкта, що рухається, або, можливо, про потенційну енергію, якою щось може володіти завдяки гравітації.
Однак у мікроскопічному масштабівнутрішня енергіяякий має предмет є важливішим за ці макроскопічні форми енергії. Ця енергія в кінцевому рахунку є результатом руху молекул, і, як правило, легше зрозуміти і розрахувати, якщо врахувати спрощену закриту систему, таку як ідеальний газ.
Що таке внутрішня енергія системи?
Внутрішня енергія - це повна енергія замкнутої системи молекул, або сума молекулярної кінетичної енергії та потенційної енергії в речовині. Макроскопічна кінетична та потенційна енергії не мають значення для внутрішньої енергії - якщо рухати Ціла замкнута система або змінює її гравітаційну потенційну енергію, внутрішня енергія залишається такою те саме.
Як і слід було очікувати для мікроскопічної системи, обчислення кінетичної енергії безлічі молекул та їх потенційних енергій було б складним, а то й практично неможливим завданням. Отже, на практиці розрахунки внутрішньої енергії передбачають середні показники, а не кропіткий процес безпосереднього її обчислення.
Одним з особливо корисних спрощень є розгляд газу як «ідеального газу», який, як вважається, не має міжмолекулярних сил і, отже, по суті не має потенційної енергії. Це робить процес розрахунку внутрішньої енергії системи набагато простішим, і це далеко не точно для багатьох газів.
Внутрішню енергію іноді називають тепловою енергією, оскільки температура по суті є мірою внутрішня енергія системи - вона визначається як середня кінетична енергія молекул у системі.
Рівняння внутрішньої енергії
Рівняння внутрішньої енергії є функцією стану, що означає, що її значення на певний момент часу залежить від стану системи, а не від того, як вона туди потрапила. Що стосується внутрішньої енергії, рівняння залежить від кількості молей (або молекул) у замкнутій системі та її температури в кельвінах.
Внутрішня енергія ідеального газу має одне з найпростіших рівнянь:
U = \ frac {3} {2} nRT
Деп- кількість родимок,Р.- універсальна газова постійна іТ- температура системи. Постійна газу має значенняР.= 8,3145 Дж моль−1 К−1, або близько 8,3 Джоуля на моль на Кельвіна. Це дає значення дляUв джоулях, як і слід було очікувати для значення енергії, і це має сенс у тому, що більш високі температури та більша кількість молей речовини призводять до вищої внутрішньої енергії.
Перший закон термодинаміки
Перший закон термодинаміки є одним із найкорисніших рівнянь при роботі з внутрішньою енергією, і він стверджує що зміна внутрішньої енергії системи дорівнює теплу, доданому системі за мінусом роботи, виконаної системою (або,плюсвиконану роботунасистема). У символах це:
∆U = Q-W
З цим рівнянням дійсно просто працювати, якщо ви знаєте (або можете розрахувати) тепловіддачу та виконану роботу. Однак багато ситуацій спрощують ситуацію ще більше. В ізотермічному процесі температура постійна, і оскільки внутрішня енергія є функцією стану, ви знаєте, що зміна внутрішньої енергії дорівнює нулю. В адіабатичному процесі не відбувається теплообміну між системою та її оточенням, тому значенняПитаннядорівнює 0, і рівняння стає:
∆U = -W
Ізобарний процес - це процес, який відбувається при постійному тиску, і це означає, що виконана робота дорівнює тиску, помноженому на зміну об’єму:W = P∆V. Ізохорні процеси відбуваються з постійним обсягом, і в цих випадкахW= 0. Це залишає зміну внутрішньої енергії рівною теплу, доданому в систему:
∆U = Q
Навіть якщо ви не можете спростити проблему одним із цих способів, для багатьох процесів роботи не виконано або це можна легко розрахувати, тому знайти кількість набраного або втраченого тепла - головне, що вам потрібно робити.