Energia interna in termodinamica

Il Energia interna è la quantità termodinamica che è uguale a somma di tutte le energie di un sistema, come cinetica e potenziale. È stato rappresentato come E, e talvolta come U.

E = Mi + Mi +...

È quello che definisce il Prima Legge della Termodinamica. Questa legge stabilisce la conservazione dell'energiaIn altre parole, non si crea né si distrugge. In altre parole, questa legge si formula dicendo che per una data quantità di una forma di energia scomparendo, un'altra forma apparirà in egual quantità all'importo mancante.

Essendo un'unità di energia, è misurato in unità Joule (J), secondo il Sistema internazionale di unità.

La prima legge della termodinamica è spiegata con alcuni quantità di calore "q" aggiunta al sistema. Questa quantità darà luogo ad un aumento dell'energia interna del sistema, ed effettuerà anche un lavoro esterno "w" come conseguenza di detto assorbimento di calore.

ΔE + w = ​​​​q

ΔE = q - w

Se dichiariamo come ΔE l'aumento di Energia Interna del sistema e “w” il lavoro svolto dal sistema sul contorno, allora avremo la formula precedente.

L'equazione costituisce l'istituzione matematica della Prima Legge della Termodinamica. Poiché l'energia interna dipende solo dallo stato di un sistema, allora il suo cambiamento ΔE, coinvolto nel passaggio di uno stato in cui l'energia interna è E₁ a un altro dov'è E₂ deve essere data da:

E = E₂ - E₁

ΔE dipende quindi esclusivamente dagli stati iniziale e finale del sistema e in nessun modo dal modo in cui tale cambiamento è stato effettuato.

Queste considerazioni non valgono per "w" e "q", perché l'entità di queste dipende dal modo in cui viene svolto il lavoro nel passaggio dallo stato iniziale allo stato finale.

Il simbolo "w" rappresenta il lavoro totale svolto da un sistema. In una cella galvanica, ad esempio, w può includere l'Energia Elettrica fornita, più, se c'è un cambiamento volume, qualsiasi energia utilizzata per effettuare espansione o contrazione contro una pressione opposta an "P".

La variazione di volume si vede meglio nel pistone di un motore a combustione interna, ad esempio. Il lavoro svolto dal sistema contro una pressione opposta "p", che è quella esterna, e con variazione di Volume da V₁ fino a V₂, è descritto con la formula:

w = pΔV

Se l'unico lavoro svolto dal sistema è di questa natura, allora la sostituzione di questa equazione nella Prima Legge della Termodinamica è:

E = q - w -> ΔE = q - pΔV

Le equazioni del Primo Principio della Termodinamica sono perfettamente generali e si applicano al calcolo della Variazione di Energia Interna ΔE, Lavoro w, Calore q. Tuttavia, in condizioni speciali, queste equazioni possono assumere forme particolari.

1.- Quando il Il volume è costante: se il volume non varia, allora ΔV = 0, e il lavoro w sarà 0. Pertanto, si considera solo:

E = q

2.- Quando il la pressione di opposizione p è zero: Un processo di questo tipo è chiamato Espansione libera. Pertanto, se p = 0, allora w sarà calcolato come w = 0. Ancora:

E = q

Le quantità q, w e ΔE sono misurabili sperimentalmente, ma le grandezze di E in quanto tali non lo sono; quest'ultimo fatto non è un ostacolo in Termodinamica, poiché ci interessano principalmente le variazioni di E (ΔE), e non i valori assoluti.

Esempi di energia interna

1.- Usando la prima legge della termodinamica, calcola la variazione di energia interna di un sistema a cui è stato aggiunto un calore di 1500 Joule, ed è riuscito a svolgere un lavoro di 400 Joule.

ΔE = q - w

E = 1500 J - 400 J

E = 1100 J

C'è stato un aumento dell'energia interna

2.- Usando la prima legge della termodinamica, calcola la variazione di energia interna di un sistema a cui è stato aggiunto un calore di 2300 Joule ed è riuscito a eseguire un lavoro di 1350 Joule.

ΔE = q - w

E = 2300 J - 1350 J

E = 950 J

C'è stato un aumento dell'energia interna

3.- Usando la prima legge della termodinamica, calcola la variazione di energia interna di un sistema a cui è stato aggiunto un calore di 6100 Joule, ed è riuscito a svolgere un lavoro di 940 Joule.

ΔE = q - w

E = 6100 J - 940 J

E = 5160 J

C'è stato un aumento dell'energia interna

4.- Usando la prima legge della termodinamica, calcola la variazione di energia interna di un sistema a cui è stato aggiunto un calore di 150 Joule ed è riuscito a eseguire un lavoro di 30 Joule.

ΔE = q - w

E = 150 J - 30 J

E = 120 J

C'è stato un aumento dell'energia interna

5.- Usando la Prima Legge della Termodinamica, calcola la variazione di energia interna di un sistema a cui è stato aggiunto un calore di 3400 Joule, ed è riuscito a eseguire un lavoro di 1960 Joule.

ΔE = q - w

E = 3400 J - 1960 J

E = 1440 J

C'è stato un aumento dell'energia interna

6.- Utilizzando la Prima Legge della Termodinamica, calcolare la variazione di energia interna di un sistema a cui è stato aggiunto un calore di 1500 Joule, ed è riuscito a svolgere un lavoro di 2400 Joule.

ΔE = q - w

E = 1500 J - 2400 J

E = -900 J

C'è stata una diminuzione dell'energia interna

7.- Usando la Prima Legge della Termodinamica, calcola la variazione di energia interna di un sistema a cui è stato aggiunto un calore di 9600 Joule, ed è riuscito a fare un lavoro di 14000 Joule.

ΔE = q - w

E = 9600 J - 14000 J

E = -4400 J

C'è stata una diminuzione dell'energia interna

8.- Usando la prima legge della termodinamica, calcola la variazione di energia interna di un sistema a cui è stato aggiunto un calore di 2800 Joule, ed è riuscito a svolgere un lavoro di 3600 Joule.

ΔE = q - w

E = 2800 J - 3600 J

E = -800 J

C'è stata una diminuzione dell'energia interna

9.- Usando la prima legge della termodinamica, calcola la variazione di energia interna di un sistema a cui è stato aggiunto un calore di 1900 Joule, ed è riuscito a eseguire un lavoro di 2100 Joule.

ΔE = q - w

ΔE = 1900 J - 2100 J

E = -200 J

C'è stata una diminuzione dell'energia interna

10.- Usando la prima legge della termodinamica, calcola la variazione di energia interna di un sistema a cui è stato aggiunto un calore di 200 Joule, ed è riuscito a svolgere un lavoro di 400 Joule.

ΔE = q - w

E = 200 J - 400 J

E = -200 J

C'è stata una diminuzione dell'energia interna