الطاقة الداخلية في الديناميكا الحرارية

ال الطاقة الداخلية هي الكمية الديناميكية الحرارية التي تساوي مجموع كل طاقات النظام، مثل الخواص الحركية والإمكانيات. قد كان ممثلة كـ E، وأحيانًا مثل U.

E = Ec + Ep + ...

هو الذي يحدد ال القانون الأول للديناميكا الحرارية. يحدد هذا القانون الحفاظ على الطاقةبمعنى آخر ، لم يتم إنشاؤه ولا تدميره. بعبارة أخرى ، تمت صياغة هذا القانون بقول ذلك لكمية معينة من شكل تختفي الطاقة ، سيظهر شكل آخر منها بنفس المقدار للمبلغ المفقود.

كونها وحدة للطاقة ، يقاس بوحدات الجول (J)وفقًا للنظام الدولي للوحدات.

تم شرح القانون الأول للديناميكا الحرارية مع بعض كمية الحرارة "q" المضافة إلى النظام. ستؤدي هذه الكمية إلى زيادة الطاقة الداخلية للنظام ، وستقوم أيضًا ببعض الأعمال الخارجية "w" نتيجة لامتصاص الحرارة المذكور.

ΔE + w = ​​q

ΔE = q - w

إذا أعلنا ΔE الزيادة في الطاقة الداخلية للنظام و "w" العمل الذي قام به النظام على الكفاف ، فسنحصل على الصيغة السابقة.

تشكل المعادلة التأسيس الرياضي للقانون الأول للديناميكا الحرارية. نظرًا لأن الطاقة الداخلية تعتمد فقط على حالة النظام ، فإن تغييرها ΔE ، تشارك في مرور حالة تكون فيها الطاقة الداخلية E₁ إلى مكان آخر هاء₂ يجب أن تعطى بواسطة:

ΔE = E.₂ - إي₁

وبالتالي ، فإن ΔE يعتمد فقط على الحالات الأولية والنهائية للنظام ولا بأي حال من الأحوال على الطريقة التي تم بها إجراء مثل هذا التغيير.

لا تنطبق هذه الاعتبارات على "w" و "q" ، لأن حجمها يعتمد على الطريقة التي يتم بها العمل في المرور من الحالة الأولية إلى الحالة النهائية.

يمثل الرمز "w" إجمالي العمل الذي يقوم به النظام. في الخلية الجلفانية ، على سبيل المثال ، يمكن أن تتضمن w الطاقة الكهربائية المقدمة ، بالإضافة إلى ذلك ، إذا كان هناك تغيير الحجم ، أي طاقة مستخدمة لإحداث التمدد أو الانكماش مقابل ضغط معاكس "P".

يمكن رؤية التغيير في الحجم بشكل أفضل في مكبس محرك الاحتراق الداخلي ، على سبيل المثال. العمل الذي يقوم به النظام مقابل ضغط معاكس "p" ، وهو الضغط الخارجي ، مع تغيير في الحجم من V₁ يصل إلى V.₂، مع الصيغة:

ث = pΔV

إذا كان العمل الوحيد الذي يقوم به النظام من هذا القبيل ، فإن استبدال هذه المعادلة في القانون الأول للديناميكا الحرارية هو:

ΔE = q - w -> ΔE = q - pΔV

معادلات القانون الأول للديناميكا الحرارية عامة تمامًا وتنطبق على حساب تغير الطاقة الداخلية ΔE ، الشغل w ، الحرارة q. ومع ذلك ، في ظل ظروف خاصة ، يمكن أن تتخذ هذه المعادلات أشكالًا معينة.

1.- عندما يكون الحجم ثابت: إذا كان الحجم لا يختلف ، فإن ΔV = 0 ، والعمل w سيكون 0. لذلك ، يعتبر فقط:

ΔE = ف

2.- عندما يكون ضغط المعارضة p يساوي صفر: عملية من هذا النوع تسمى التوسع الحر. لذلك ، إذا كانت p = 0 ، فسيتم حساب w على أنها w = 0. ثانية:

ΔE = ف

الكميات q و w و ΔE قابلة للقياس تجريبياً ، لكن مقادير E على هذا النحو ليست كذلك ؛ هذه الحقيقة الأخيرة ليست عقبة في الديناميكا الحرارية ، لأننا مهتمون بشكل أساسي بتغيرات E (ΔE) ، وليس بالقيم المطلقة.

أمثلة على الطاقة الداخلية

1.- باستخدام القانون الأول للديناميكا الحرارية ، احسب التغير في الطاقة الداخلية لنظام تمت إضافة حرارة 1500 جول إليه ، وتمكن من أداء عمل بمقدار 400 جول.

ΔE = q - w

ΔE = 1500 جول - 400 جول

ΔE = 1100 جول

كانت هناك زيادة في الطاقة الداخلية

2.- باستخدام القانون الأول للديناميكا الحرارية ، احسب التغير في الطاقة الداخلية لنظام تمت إضافة حرارة 2300 جول إليه ، وتمكن من أداء عمل قدره 1350 جول.

ΔE = q - w

ΔE = 2300 جول - 1350 جول

ΔE = 950 جول

كانت هناك زيادة في الطاقة الداخلية

3.- باستخدام القانون الأول للديناميكا الحرارية ، احسب التغير في الطاقة الداخلية لنظام تمت إضافة حرارة 6100 جول إليه ، وتمكن من أداء عمل قدره 940 جول.

ΔE = q - w

ΔE = 6100 جول - 940 جول

ΔE = 5160 جول

كانت هناك زيادة في الطاقة الداخلية

4.- باستخدام القانون الأول للديناميكا الحرارية ، احسب التغير في الطاقة الداخلية لنظام تمت إضافة حرارة 150 جول إليه ، وتمكن من القيام بعمل 30 جول.

ΔE = q - w

ΔE = 150 جول - 30 جول

ΔE = 120 جول

كانت هناك زيادة في الطاقة الداخلية

5.- باستخدام القانون الأول للديناميكا الحرارية ، احسب التغير في الطاقة الداخلية لنظام تمت إضافة حرارة 3400 جول إليه ، وتمكن من أداء عمل من 1960 جول.

ΔE = q - w

ΔE = 3400 جول - 1960 ي

ΔE = 1440 جول

كانت هناك زيادة في الطاقة الداخلية

6.- باستخدام القانون الأول للديناميكا الحرارية ، احسب التغير في الطاقة الداخلية لنظام تمت إضافة حرارة 1500 جول إليه ، وتمكن من أداء عمل 2400 جول.

ΔE = q - w

ΔE = 1500 جول - 2400 جول

ΔE = -900 جول

كان هناك انخفاض في الطاقة الداخلية

7.- باستخدام القانون الأول للديناميكا الحرارية ، احسب التغير في الطاقة الداخلية لنظام تمت إضافة حرارة مقدارها 9600 جول ، وتمكن من أداء عمل قدره 14000 جول.

ΔE = q - w

ΔE = 9600 جول - 14000 جول

ΔE = -4400 جول

كان هناك انخفاض في الطاقة الداخلية

8.- باستخدام القانون الأول للديناميكا الحرارية ، احسب التغير في الطاقة الداخلية لنظام تمت إضافة حرارة 2800 جول إليه ، وتمكن من أداء عمل 3600 جول.

ΔE = q - w

ΔE = 2800 جول - 3600 جول

ΔE = -800 جول

كان هناك انخفاض في الطاقة الداخلية

9.- باستخدام القانون الأول للديناميكا الحرارية ، احسب التغير في الطاقة الداخلية لنظام تمت إضافة حرارة 1900 جول إليه ، وتمكن من أداء عمل مقداره 2100 جول.

ΔE = q - w

ΔE = 1900 جول - 2100 جول

ΔE = -200 جول

كان هناك انخفاض في الطاقة الداخلية

10.- باستخدام القانون الأول للديناميكا الحرارية ، احسب التغير في الطاقة الداخلية لنظام تمت إضافة حرارة 200 جول إليه ، وتمكن من أداء عمل بمقدار 400 جول.

ΔE = q - w

ΔE = 200 جول - 400 جول

ΔE = -200 جول

كان هناك انخفاض في الطاقة الداخلية