Innere Energie in der Thermodynamik

Das Innere Energie ist die thermodynamische Größe, die gleich der Summe aller Energien eines Systems, wie Kinetik und Potenzial. Es ist gewesen dargestellt als E, und manchmal als U.

E = Ec + Ep +…

Es ist derjenige, der die definiert Erster Hauptsatz der Thermodynamik. Dieses Gesetz legt die EnergieeinsparungMit anderen Worten, es wird weder erzeugt noch zerstört. Mit anderen Worten, dieses Gesetz wird formuliert, indem man sagt, dass für eine gegebene Menge einer Form von verschwindende Energie, eine andere Form davon wird in gleicher Menge erscheinen auf den fehlenden Betrag.

Da es sich um eine Energieeinheit handelt, wird in Joule (J)-Einheiten gemessen, nach dem Internationalen Einheitensystem.

Der Erste Hauptsatz der Thermodynamik wird mit einigen erklärt Wärmemenge "q", die dem System zugeführt wird. Diese Menge führt zu einer Erhöhung der inneren Energie des Systems und verrichtet als Folge der Wärmeabsorption auch eine gewisse äußere Arbeit "w".

ΔE + w = ​​​​q

ΔE = q - w

Deklarieren wir als ΔE die Zunahme der inneren Energie des Systems und „w“ die Arbeit, die das System an der Kontur verrichtet, dann erhalten wir die vorherige Formel.

Die Gleichung bildet die mathematische Begründung des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik. Da die innere Energie nur vom Zustand eines Systems abhängt, ist die Änderung von ΔE selbst, die mit dem Übergang eines Zustands verbunden ist, in dem die innere Energie E. ist₁ zu einem anderen wo ist E₂ muss gegeben sein von:

E = E₂ - E₁

ΔE hängt also nur vom Anfangs- und Endzustand des Systems ab und in keiner Weise davon, wie eine solche Änderung vorgenommen wurde.

Diese Überlegungen gelten nicht für "w" und "q", da deren Größe von der Art und Weise abhängt, wie die Arbeit beim Übergang vom Anfangszustand zum Endzustand verrichtet wird.

Das Symbol "w" steht für die Gesamtarbeit eines Systems. In einer galvanischen Zelle zum Beispiel kann w die bereitgestellte elektrische Leistung einschließen, plus, wenn sich eine Änderung ergibt Volumen, jede Energie, die verwendet wird, um eine Expansion oder Kontraktion gegen einen Gegendruck zu bewirken "P".

Am besten sieht man die Volumenänderung beispielsweise am Kolben eines Verbrennungsmotors. Die vom System geleistete Arbeit gegen einen Gegendruck "p", der der äußere ist, und bei einer Volumenänderung von V₁ bis V₂, wird mit der Formel beschrieben:

w = pΔV

Wenn die einzige vom System verrichtete Arbeit diese Art ist, dann ist die Substitution dieser Gleichung im ersten Hauptsatz der Thermodynamik:

ΔE = q - w -> ΔE = q - pΔV

Die Gleichungen des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik sind vollkommen allgemein und gelten für die Berechnung der Änderung der inneren Energie ΔE, Arbeit w, Wärme q. Unter besonderen Bedingungen können diese Gleichungen jedoch besondere Formen annehmen.

1.- Wenn die Volumen ist konstant: Wenn sich das Volumen nicht ändert, ist ΔV = 0 und die Arbeit w ist 0. Es wird daher nur berücksichtigt:

E = q

2.- Wenn die Oppositionsdruck p ist null: Ein solcher Prozess wird als Freie Expansion bezeichnet. Wenn also p = 0 ist, wird w zu w = 0 berechnet. Nochmal:

E = q

Die Größen q, w und ΔE sind experimentell messbar, die Größen von E als solche nicht; letztere Tatsache ist kein Hindernis in der Thermodynamik, da wir hauptsächlich an den Änderungen von E (ΔE) und nicht an den absoluten Werten interessiert sind.

Beispiele für innere Energie

1.- Berechnen Sie unter Verwendung des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik die Änderung der inneren Energie eines Systems, dem eine Wärme von 1500 Joule hinzugefügt wurde und das es geschafft hat, eine Arbeit von 400 Joule zu verrichten.

ΔE = q - w

E = 1500 J - 400 J

E = 1100 J

Es gab einen Anstieg der inneren Energie

2.- Berechnen Sie unter Verwendung des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik die Änderung der inneren Energie eines Systems, dem eine Wärme von 2300 Joule hinzugefügt wurde und das es geschafft hat, eine Arbeit von 1350 Joule zu verrichten.

ΔE = q - w

E = 2300 J - 1350 J

E = 950 J

Es gab einen Anstieg der inneren Energie

3.- Berechnen Sie unter Verwendung des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik die Änderung der inneren Energie eines Systems, dem eine Wärme von 6100 Joule hinzugefügt wurde und das es geschafft hat, eine Arbeit von 940 Joule zu verrichten.

ΔE = q - w

E = 6100 J - 940 J

E = 5160 J

Es gab einen Anstieg der inneren Energie

4.- Berechnen Sie unter Verwendung des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik die Änderung der inneren Energie eines Systems, dem eine Wärme von 150 Joule hinzugefügt wurde und das es geschafft hat, eine Arbeit von 30 Joule zu leisten.

ΔE = q - w

E = 150 J - 30 J

E = 120 J

Es gab einen Anstieg der inneren Energie

5.- Berechnen Sie unter Verwendung des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik die Änderung der inneren Energie eines Systems, dem eine Wärme von 3400 Joule hinzugefügt wurde und das es geschafft hat, eine Arbeit von 1960 Joule zu leisten.

ΔE = q - w

ΔE = 3400 J - 1960 J

E = 1440 J

Es gab einen Anstieg der inneren Energie

6.- Berechnen Sie unter Verwendung des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik die Änderung der inneren Energie eines Systems, dem eine Wärme von 1500 Joule hinzugefügt wurde und das es geschafft hat, eine Arbeit von 2400 Joule zu verrichten.

ΔE = q - w

E = 1500 J - 2400 J

E = -900 J

Es gab eine Abnahme der inneren Energie

7.- Berechnen Sie unter Verwendung des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik die Änderung der inneren Energie eines Systems, dem eine Wärme von 9600 Joule hinzugefügt wurde und das es geschafft hat, eine Arbeit von 14000 Joule zu verrichten.

ΔE = q - w

E = 9600 J - 14000 J

E = -4400 J

Es gab eine Abnahme der inneren Energie

8.- Berechnen Sie unter Verwendung des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik die Änderung der inneren Energie eines Systems, dem eine Wärme von 2800 Joule hinzugefügt wurde und das es geschafft hat, eine Arbeit von 3600 Joule zu verrichten.

ΔE = q - w

E = 2800 J - 3600 J

E = -800 J

Es gab eine Abnahme der inneren Energie

9.- Berechnen Sie unter Verwendung des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik die Änderung der inneren Energie eines Systems, dem eine Wärme von 1900 Joule hinzugefügt wurde und das es geschafft hat, eine Arbeit von 2100 Joule zu verrichten.

ΔE = q - w

ΔE = 1900 J - 2100 J

E = -200 J

Es gab eine Abnahme der inneren Energie

10.- Berechnen Sie unter Verwendung des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik die Änderung der inneren Energie eines Systems, dem eine Wärme von 200 Joule hinzugefügt wurde und das es geschafft hat, eine Arbeit von 400 Joule zu verrichten.

ΔE = q - w

E = 200 J - 400 J

E = -200 J

Es gab eine Abnahme der inneren Energie