Внутренняя энергия в термодинамике

В Внутренняя энергия термодинамическая величина, равная сумма всех энергий системы, например кинетика и потенциал. Это было представлен как E, а иногда как U.

E = Ec + Ep +…

Это тот, который определяет Первый закон термодинамики. Этот закон устанавливает энергосбережение, то есть он не создается и не уничтожается. Другими словами, этот закон формулируется, говоря, что для данного количества формы исчезающая энергия, другая ее форма появится в том же количестве на недостающую сумму.

Будучи единицей Энергии, измеряется в единицах Джоуля (Дж), согласно Международной системе единиц.

Первый закон термодинамики объясняется некоторыми количество тепла "q" добавлено в систему. Это количество приведет к увеличению внутренней энергии системы, а также будет выполнять некоторую внешнюю работу «w» как следствие указанного поглощения тепла.

ΔE + w = ​​q

ΔE = q - w

Если мы объявим как ΔE увеличение Внутренней Энергии системы и «w» работу, совершаемую системой на контуре, то у нас будет предыдущая формула.

Уравнение представляет собой математическое обоснование Первого закона термодинамики. Поскольку внутренняя энергия зависит только от состояния системы, то само изменение ΔE, участвующее в переходе из состояния, в котором внутренняя энергия равна E

₁ в другой, где E₂ должен быть предоставлен:

ΔE = E₂ - E₁

Таким образом, ΔE зависит только от начального и конечного состояний системы и никоим образом не от способа, которым было произведено такое изменение.

Эти соображения не применимы к «w» и «q», потому что их величина зависит от способа, которым выполняется работа при переходе от начального состояния к конечному состоянию.

Символ «w» обозначает общую работу, выполненную системой. Например, в гальваническом элементе w может включать в себя предоставленную электрическую мощность плюс, если есть изменение объем, любая энергия, используемая для расширения или сжатия против противодействующего давления "П".

Изменение объема лучше всего видно в поршне двигателя внутреннего сгорания, например. Работа, совершаемая системой против противодействующего давления "p", которое является внешним, и с изменением объема от V₁ до V₂, описывается формулой:

w = pΔV

Если единственная работа, выполняемая системой, носит такой характер, то замена этого уравнения в Первом законе термодинамики следующая:

ΔE = q - w -> ΔE = q - pΔV

Уравнения Первого закона термодинамики являются совершенно общими и применимы для расчета изменения внутренней энергии ΔE, работы w, тепла q. Однако при определенных условиях эти уравнения могут принимать определенный вид.

1.- Когда Объем постоянный: если объем не меняется, то ΔV = 0, и работа w будет равна 0. Поэтому считается только:

ΔE = q

2.- Когда противодействующее давление p равно нулю: Процесс этого типа называется Free Expansion. Следовательно, если p = 0, то w будет вычисляться как w = 0. Очередной раз:

ΔE = q

Величины q, w и ΔE экспериментально измеримы, но величины E как таковые - нет; Последний факт не является препятствием для термодинамики, поскольку нас интересуют в основном изменения E (ΔE), а не абсолютные значения.

Примеры внутренней энергии

1.- Используя первый закон термодинамики, вычислите изменение внутренней энергии системы, к которой было добавлено 1500 джоулей тепла, и которой удалось выполнить работу в 400 джоулей.

ΔE = q - w

ΔE = 1500 Дж - 400 Дж

ΔE = 1100 Дж

Произошло увеличение внутренней энергии

2.- Используя первый закон термодинамики, вычислите изменение внутренней энергии системы, к которой было добавлено 2300 джоулей тепла, и которой удалось выполнить работу в 1350 джоулей.

ΔE = q - w

ΔE = 2300 Дж - 1350 Дж

ΔE = 950 Дж

Произошло увеличение внутренней энергии

3.- Используя первый закон термодинамики, рассчитайте изменение внутренней энергии системы, к которой было добавлено 6100 джоулей тепла, и которой удалось выполнить работу в 940 джоулей.

ΔE = q - w

ΔE = 6100 Дж - 940 Дж

ΔE = 5160 Дж

Произошло увеличение внутренней энергии

4.- Используя первый закон термодинамики, вычислите изменение внутренней энергии системы, к которой было добавлено 150 джоулей тепла, и которой удалось выполнить работу в 30 джоулей.

ΔE = q - w

ΔE = 150 Дж - 30 Дж

ΔE = 120 Дж

Произошло увеличение внутренней энергии

5.- Используя первый закон термодинамики, вычислите изменение внутренней энергии системы, к которой добавлено 3400 джоулей тепла, и которой удалось выполнить работу в 1960 джоулей.

ΔE = q - w

ΔE = 3400 Дж - 1960 Дж

ΔE = 1440 Дж

Произошло увеличение внутренней энергии

6.- Используя первый закон термодинамики, вычислите изменение внутренней энергии системы, к которой было добавлено 1500 джоулей тепла, и которой удалось выполнить работу в 2400 джоулей.

ΔE = q - w

ΔE = 1500 Дж - 2400 Дж

ΔE = -900 Дж

Произошло снижение внутренней энергии

7.- Используя первый закон термодинамики, вычислите изменение внутренней энергии системы, к которой было добавлено 9600 джоулей тепла, и которой удалось выполнить работу в 14000 джоулей.

ΔE = q - w

ΔE = 9600 Дж - 14000 Дж

ΔE = -4400 Дж

Произошло снижение внутренней энергии

8.- Используя первый закон термодинамики, вычислите изменение внутренней энергии системы, к которой было добавлено 2800 джоулей тепла, и которой удалось выполнить работу в 3600 джоулей.

ΔE = q - w

ΔE = 2800 Дж - 3600 Дж

ΔE = -800 Дж

Произошло снижение внутренней энергии

9.- Используя первый закон термодинамики, вычислите изменение внутренней энергии системы, к которой было добавлено 1900 джоулей тепла, и которой удалось выполнить работу в 2100 джоулей.

ΔE = q - w

ΔE = 1900 Дж - 2100 Дж

ΔE = -200 Дж

Произошло снижение внутренней энергии

10.- Используя первый закон термодинамики, вычислите изменение внутренней энергии системы, к которой было добавлено 200 джоулей тепла, и которой удалось выполнить работу в 400 джоулей.

ΔE = q - w

ΔE = 200 Дж - 400 Дж

ΔE = -200 Дж

Произошло снижение внутренней энергии