Energia internă în termodinamică

Energie interna este mărimea termodinamică care este egală cu suma tuturor energiilor unui sistem, cum ar fi cinetica și potențialul. Acesta a fost reprezentat ca E, și uneori ca U.

E = Ec + Ep + ...

Este cea care definește Prima lege a termodinamicii. Această lege stabilește conservarea EnergieiCu alte cuvinte, nu este nici creat, nici distrus. Cu alte cuvinte, această lege este formulată spunând că pentru o cantitate dată dintr-o formă de disparând energia, o altă formă a acesteia va apărea într-o cantitate egală la suma lipsă.

Fiind o unitate de energie, se măsoară în unități Joule (J), conform Sistemului Internațional de Unități.

Prima lege a termodinamicii este explicată cu unele cantitatea de căldură „q” adăugată la sistem. Această cantitate va da naștere la o creștere a energiei interne a sistemului și va face, de asemenea, unele lucrări externe „w” ca urmare a absorbției de căldură menționate.

ΔE + w = ​​q

ΔE = q - w

Dacă declarăm ca ΔE creșterea energiei interne a sistemului și „w” munca efectuată de sistem pe contur, atunci vom avea formula anterioară.

Ecuația constituie stabilirea matematică a primei legi a termodinamicii. Deoarece energia internă depinde doar de starea unui sistem, atunci schimbarea lui ΔE în sine, implicată în trecerea unei stări în care energia internă este E₁ la altul unde este E₂ trebuie dat de:

ΔE = E₂ - E₁

ΔE depinde astfel doar de stările inițiale și finale ale sistemului și în niciun caz de modul în care a fost făcută o astfel de modificare.

Aceste considerații nu se aplică „w” și „q”, deoarece magnitudinea acestora depinde de modul în care se lucrează în trecerea de la starea inițială la starea finală.

Simbolul „w” reprezintă munca totală realizată de un sistem. Într-o celulă galvanică, de exemplu, w poate include puterea electrică furnizată, plus, dacă există o modificare volum, orice energie utilizată pentru a efectua expansiunea sau contracția împotriva unei presiuni opuse „P”.

Schimbarea volumului se observă cel mai bine la pistonul unui motor cu ardere internă, de exemplu. Munca efectuată de sistem împotriva unei presiuni opuse „p”, care este cea externă, și cu o schimbare a volumului de la V₁ până la V₂, este descris cu formula:

w = pΔV

Dacă singura lucrare efectuată de sistem este de această natură, atunci înlocuirea acestei ecuații în Prima Lege a Termodinamicii este:

ΔE = q - w -> ΔE = q - pΔV

Ecuațiile primei legi a termodinamicii sunt perfect generale și se aplică calculului schimbării energiei interne ΔE, Work w, Heat q. Cu toate acestea, în condiții speciale, aceste ecuații pot lua forme particulare.

1.- Când Volumul este constant: dacă volumul nu variază, atunci ΔV = 0, iar lucrarea w va fi 0. Prin urmare, se ia în considerare doar:

ΔE = q

2.- Când presiunea de opoziție p este zero: Un proces de acest tip se numește Expansiune gratuită. Prin urmare, dacă p = 0, atunci w va fi calculat ca w = 0. Din nou:

ΔE = q

Cantitățile q, w și ΔE sunt măsurabile experimental, dar mărimile lui E ca atare nu sunt; acest ultim fapt nu este un obstacol în termodinamică, deoarece ne interesează în principal schimbările lui E (ofE) și nu valorile absolute.

Exemple de energie internă

1.- Folosind Prima lege a termodinamicii, calculați schimbarea energiei interne a unui sistem la care s-a adăugat o căldură de 1500 Jouli și a reușit să efectueze o lucrare de 400 Jouli.

ΔE = q - w

ΔE = 1500 J - 400 J

ΔE = 1100 J

A existat o creștere a energiei interne

2.- Folosind Prima Lege a Termodinamicii, calculați schimbarea energiei interne a unui sistem la care s-a adăugat o căldură de 2300 Jouli și a reușit să efectueze o lucrare de 1350 Jouli.

ΔE = q - w

ΔE = 2300 J - 1350 J

ΔE = 950 J

A existat o creștere a energiei interne

3.- Folosind Prima Lege a Termodinamicii, calculați schimbarea energiei interne a unui sistem la care s-a adăugat o căldură de 6100 Jouli și a reușit să efectueze o lucrare de 940 Jouli.

ΔE = q - w

ΔE = 6100 J - 940 J

ΔE = 5160 J

A existat o creștere a energiei interne

4.- Folosind Prima lege a termodinamicii, calculați schimbarea energiei interne a unui sistem la care s-a adăugat o căldură de 150 de juli și a reușit să facă o lucrare de 30 de juli.

ΔE = q - w

ΔE = 150 J - 30 J

ΔE = 120 J

A existat o creștere a energiei interne

5.- Folosind Prima Lege a Termodinamicii, calculați schimbarea energiei interne a unui sistem la care s-a adăugat o căldură de 3400 Jouli și a reușit să efectueze o lucrare de 1960 Jouli.

ΔE = q - w

ΔE = 3400 J - 1960 J

ΔE = 1440 J

A existat o creștere a energiei interne

6.- Folosind Prima Lege a Termodinamicii, calculați schimbarea energiei interne a unui sistem la care s-a adăugat o căldură de 1500 Jouli și a reușit să efectueze o lucrare de 2400 Jouli.

ΔE = q - w

ΔE = 1500 J - 2400 J

ΔE = -900 J

A existat o scădere a energiei interne

7.- Folosind Prima Lege a Termodinamicii, calculați schimbarea energiei interne a unui sistem la care s-a adăugat o căldură de 9600 Joule și a reușit să efectueze o lucrare de 14000 Joule.

ΔE = q - w

ΔE = 9600 J - 14000 J

ΔE = -4400 J

A existat o scădere a energiei interne

8.- Folosind Prima lege a termodinamicii, calculați schimbarea energiei interne a unui sistem la care s-a adăugat o căldură de 2800 Joule și a reușit să efectueze o lucrare de 3600 Joule.

ΔE = q - w

ΔE = 2800 J - 3600 J

ΔE = -800 J

A existat o scădere a energiei interne

9.- Folosind Prima Lege a Termodinamicii, calculați schimbarea energiei interne a unui sistem la care s-a adăugat o căldură de 1900 Jouli și a reușit să efectueze o lucrare de 2100 Jouli.

ΔE = q - w

ΔE = 1900 J - 2100 J

ΔE = -200 J

A existat o scădere a energiei interne

10.- Folosind Prima Lege a Termodinamicii, calculați schimbarea energiei interne a unui sistem la care s-a adăugat o căldură de 200 Jouli și a reușit să efectueze o lucrare de 400 Jouli.

ΔE = q - w

ΔE = 200 J - 400 J

ΔE = -200 J

A existat o scădere a energiei interne