אנרגיה פנימית בתרמודינמיקה

ה אנרגיה פנימית הוא הכמות התרמודינמית השווה ל- סכום כל האנרגיות של המערכת, כגון קינטיקה ופוטנציאל. זה היה מיוצג כ- E, ולפעמים כמו U.

E = Ec + Ep + ...

זה שמגדיר את ה- החוק הראשון של התרמודינמיקה. חוק זה קובע את שימור אנרגיהבמילים אחרות, הוא לא נוצר ולא נהרס. במילים אחרות, חוק זה מנוסח באומרו כי עבור כמות נתונה של צורה של אנרגיה נעלמת, צורה אחרת שלה תופיע בכמות שווה לסכום החסר.

להיות יחידת אנרגיה, נמדד ביחידות ג'ול (J), על פי מערכת היחידות הבינלאומית.

החוק הראשון של התרמודינמיקה מוסבר עם כמה כמות החום "q" שנוספה למערכת. כמות זו תוליד עלייה באנרגיה הפנימית של המערכת, ותעשה גם עבודה חיצונית "w" כתוצאה מספיגת החום האמורה.

ΔE + w = ​​q

ΔE = q - w

אם אנו מצהירים כ- ΔE את העלייה באנרגיה הפנימית של המערכת ו" w "את העבודה שנעשתה על ידי המערכת במתאר, תהיה לנו הנוסחה הקודמת.

המשוואה מהווה ביסוס מתמטי של החוק הראשון של התרמודינמיקה. מכיוון שהאנרגיה הפנימית תלויה רק ​​במצב של מערכת, אז השינוי של ΔE עצמו, המעורב במעבר של מצב שבו האנרגיה הפנימית היא E₁ למשנהו איפה הוא E.₂ חייב להינתן על ידי:

ΔE = E₂ - ה₁

לכן ΔE תלוי רק במצבים הראשוניים והאחרונים של המערכת ובשום אופן לא באופן בו נעשה שינוי כזה.

שיקולים אלה אינם חלים על "w" ו- "q", מכיוון שגודל אלה תלוי באופן העבודה במעבר מהמצב ההתחלתי למצב הסופי.

הסמל "w" מייצג את סך העבודה שביצעה מערכת. בתא גלווני, למשל, w יכול לכלול את החשמל המסופק בתוספת, אם יש שינוי נפח, כל אנרגיה המשמשת להרחבת התכווצות או התכווצות נגד לחץ מנוגד "P".

השינוי בנפח נראה הכי טוב בבוכנה של מנוע בעירה פנימית, למשל. העבודה שבוצעה על ידי המערכת כנגד לחץ מנוגד "p", שהוא החיצוני, ועם שינוי נפח מ- V₁ עד וי₂, מתואר בנוסחה:

w = pΔV

אם העבודה היחידה שנעשית על ידי המערכת היא מסוג זה, אזי החלפת משוואה זו בחוק הראשון של התרמודינמיקה היא:

ΔE = q - w -> ΔE = q - pΔV

המשוואות של החוק הראשון של התרמודינמיקה הן כלליות לחלוטין וחלות על חישוב שינוי האנרגיה הפנימית ΔE, עבודה w, חום q. עם זאת, בתנאים מיוחדים משוואות אלה יכולות ללבוש צורות מסוימות.

1.- כאשר נפח קבוע: אם הנפח אינו משתנה, אז ΔV = 0 והעבודה w תהיה 0. לכן זה נחשב רק:

ΔE = q

2.- כאשר ה- לחץ האופוזיציה p הוא אפס: תהליך מסוג זה נקרא Free Expansion. לכן, אם p = 0, אז w יחושב כ w = 0. שוב:

ΔE = q

הכמויות q, w ו- ΔE ניתנות למדידה ניסיונית, אך גודל E ככזה איננו; עובדה אחרונה זו אינה מכשול בתרמודינמיקה, מכיוון שאנו מעוניינים בעיקר בשינויים של E (ΔE), ולא בערכים המוחלטים.

דוגמאות לאנרגיה פנימית

1.- בעזרת החוק הראשון של התרמודינמיקה, חישבו את השינוי באנרגיה הפנימית של מערכת אליה התווספה חום של 1500 ג'ול, והצליחה לבצע עבודה של 400 ג'ול.

ΔE = q - w

ΔE = 1500 J - 400 J

ΔE = 1100 J

חלה עלייה באנרגיה הפנימית

2.- בעזרת החוק הראשון של התרמודינמיקה, חישבו את השינוי באנרגיה הפנימית של מערכת אליה התווספה חום של 2300 ג'ול, והצליחה לבצע עבודה של 1350 ג'ול.

ΔE = q - w

ΔE = 2300 J - 1350 J

ΔE = 950 J

חלה עלייה באנרגיה הפנימית

3.- בעזרת החוק הראשון של התרמודינמיקה, חישבו את השינוי באנרגיה הפנימית של מערכת אליה התווספה חום של 6100 ג'ול, והצליחה לבצע עבודה של 940 ג'ול.

ΔE = q - w

ΔE = 6100 J - 940 J

ΔE = 5160 J

חלה עלייה באנרגיה הפנימית

4.- בעזרת החוק הראשון של התרמודינמיקה, חישבו את השינוי באנרגיה הפנימית של מערכת אליה התווספה חום של 150 ג'ול, והצליחה לבצע עבודה של 30 ג'ול.

ΔE = q - w

ΔE = 150 J - 30 J

ΔE = 120 J

חלה עלייה באנרגיה הפנימית

5.- בעזרת החוק הראשון של התרמודינמיקה, חישבו את השינוי באנרגיה הפנימית של מערכת אליה התווספה חום של 3400 ג'ול, והצליחה לבצע עבודה של 1960 ג'אול.

ΔE = q - w

ΔE = 3400 J - 1960 J

ΔE = 1440 J

חלה עלייה באנרגיה הפנימית

6.- בעזרת החוק הראשון של התרמודינמיקה, חישבו את השינוי באנרגיה הפנימית של מערכת אליה התווספה חום של 1500 ג'ול, והצליחה לבצע עבודה של 2400 ג'ול.

ΔE = q - w

ΔE = 1500 J - 2400 J

ΔE = -900 J

חלה ירידה באנרגיה הפנימית

7.- בעזרת החוק הראשון של התרמודינמיקה, חישבו את השינוי באנרגיה הפנימית של מערכת אליה התווספה חום של 9600 ג'ול, והצליחה לבצע עבודה של 14000 ג'ול.

ΔE = q - w

ΔE = 9600 J - 14000 J

ΔE = -4400 J

חלה ירידה באנרגיה הפנימית

8.- בעזרת החוק הראשון של התרמודינמיקה, חישבו את השינוי באנרגיה הפנימית של מערכת אליה התווספה חום של 2800 ג'ול, והצליחה לבצע עבודה של 3600 ג'ול.

ΔE = q - w

ΔE = 2800 J - 3600 J

ΔE = -800 J

חלה ירידה באנרגיה הפנימית

9.- בעזרת החוק הראשון של התרמודינמיקה, חישבו את השינוי באנרגיה הפנימית של מערכת אליה התווסף חום של 1900 ג'ול, והצליח לבצע עבודה של 2100 ג'ול.

ΔE = q - w

ΔE = 1900 J - 2100 J

ΔE = -200 J

חלה ירידה באנרגיה הפנימית

10.- באמצעות החוק הראשון של התרמודינמיקה, חישב את השינוי באנרגיה הפנימית של מערכת אליה התווסף חום של 200 ג'ול, והצליח לבצע עבודה של 400 ג'ול.

ΔE = q - w

ΔE = 200 J - 400 J

ΔE = -200 J

חלה ירידה באנרגיה הפנימית