Vnútorná energia v termodynamike

The Vnútorná energia je termodynamická veličina, ktorá sa rovná súčet všetkých energií systému, ako je kinetika a potenciál. Bolo to zastúpená ako E., a niekedy ako U.

E = Ec + Ep + ...

Je to ten, ktorý definuje Prvý zákon termodynamiky. Tento zákon ustanovuje: uchovávanie energie, to znamená, že nie je ani vytvorený, ani zničený. Inými slovami, tento zákon je formulovaný tak, že pre dané množstvo formy je uvedený miznúca energia, objaví sa jej iná forma v rovnakom množstve do chýbajúcej sumy.

Byť jednotkou energie, sa meria v jednotkách Joule (J), podľa medzinárodného systému jednotiek.

Prvý zákon termodynamiky je vysvetlený pomocou niektorých množstvo tepla „q“ pridaného do systému. Toto množstvo povedie k zvýšeniu vnútornej energie systému a tiež vykoná určitú vonkajšiu prácu „w“ v dôsledku uvedenej absorpcie tepla.

ΔE + w = ​​q

ΔE = q - w

Ak deklarujeme ako ΔE zvýšenie vnútornej energie systému a „w“ prácu vykonanú systémom na obryse, budeme mať predchádzajúci vzorec.

Rovnica predstavuje matematické ustanovenie prvého zákona termodynamiky. Pretože vnútorná energia závisí iba od stavu systému, potom samotná zmena ΔE sa podieľa na prechode stavu, keď je vnútorná energia E

₁ do iného, ​​kde je E₂ musí byť dané:

ΔE = E₂ - E₁

ΔE teda závisí iba od počiatočného a konečného stavu systému a v žiadnom prípade od spôsobu, akým sa takáto zmena vykonala.

Tieto úvahy sa nevzťahujú na „w“ a „q“, pretože ich veľkosť závisí od spôsobu, akým sa pracuje pri prechode z počiatočného stavu do konečného stavu.

Symbol „w“ predstavuje celkovú prácu vykonanú systémom. Napríklad v galvanickom článku môže w zahrnúť dodanú elektrickú energiu plus, ak dôjde k zmene objem, akákoľvek energia použitá na uskutočnenie expanzie alebo kontrakcie proti opačnému tlaku „P“.

Zmenu objemu najlepšie vidieť napríklad na pieste spaľovacieho motora. Práca vykonaná systémom proti opačnému tlaku „p“, ktorý je vonkajším, a so zmenou hlasitosti z V₁ až po V₂, je opísaný vzorcom:

w = pΔV

Ak je jediná práca vykonaná systémom tohto druhu, potom je nahradenie tejto rovnice v prvom zákone termodynamiky:

ΔE = q - w -> ΔE = q - pΔV

Rovnice prvého zákona termodynamiky sú úplne všeobecné a platia pre výpočet zmeny vnútornej energie ΔE, práce w, tepla q. Avšak za zvláštnych podmienok môžu mať tieto rovnice určité formy.

1. - Keď Objem je konštantný: ak sa hlasitosť nemení, potom ΔV = 0 a práca w bude 0. Preto sa berie do úvahy iba:

ΔE = q

2.- Keď opozičný tlak p je nula: Proces tohto typu sa nazýva Free Expansion. Preto ak p = 0, potom w sa bude počítať ako w = 0. Opäť:

ΔE = q

Veličiny q, w a ΔE sú experimentálne merateľné, ale veľkosti E ako také nie sú; Táto posledná skutočnosť nie je prekážkou v termodynamike, pretože nás zaujímajú hlavne zmeny E (ΔE), a nie absolútne hodnoty.

Príklady vnútornej energie

1. - Pomocou prvého termodynamického zákona vypočítajte zmenu vnútornej energie systému, ku ktorému sa pridalo teplo 1 500 J, a podarilo sa mu vykonať prácu 400 J.

ΔE = q - w

ΔE = 1 500 J - 400 J

ΔE = 1100 J

Došlo k zvýšeniu vnútornej energie

2. - Pomocou prvého zákona termodynamiky vypočítajte zmenu vnútornej energie systému, ku ktorému bolo pridané teplo 2 300 J, a podarilo sa mu vykonať prácu 1 350 J.

ΔE = q - w

ΔE = 2300 J - 1350 J

AE = 950 J

Došlo k zvýšeniu vnútornej energie

3. - Pomocou prvého zákona termodynamiky vypočítajte zmenu vnútornej energie systému, do ktorého sa pridalo teplo 6 100 J, a podarilo sa mu vykonať prácu 940 J.

ΔE = q - w

ΔE = 6100 J - 940 J

AE = 5160 J

Došlo k zvýšeniu vnútornej energie

4.- Pomocou prvého zákona termodynamiky vypočítajte zmenu vnútornej energie systému, do ktorého bolo pridané teplo 150 Joulov, a dokázal urobiť prácu 30 Joulov.

ΔE = q - w

ΔE = 150 J - 30 J

AE = 120 J

Došlo k zvýšeniu vnútornej energie

5. - Pomocou prvého zákona termodynamiky vypočítajte zmenu vnútornej energie systému, do ktorého bolo pridané teplo 3 400 J, a podarilo sa mu vykonať prácu 1 60 J.

ΔE = q - w

ΔE = 3 400 J - 1960 J

AE = 1440 J

Došlo k zvýšeniu vnútornej energie

6. - Pomocou prvého zákona termodynamiky vypočítajte zmenu vnútornej energie systému, do ktorého bolo pridané teplo 1 500 J, a podarilo sa mu vykonať prácu 2 400 J.

ΔE = q - w

ΔE = 1 500 J - 2 400 J

AE = -900 J

Došlo k poklesu vnútornej energie

7. - Pomocou prvého termodynamického zákona vypočítajte zmenu vnútornej energie systému, do ktorého bolo pridané teplo 9600 Joulov, a podarilo sa mu vykonať prácu 14000 Joulov.

ΔE = q - w

ΔE = 9600 J - 14000 J

AE = -4400 J

Došlo k poklesu vnútornej energie

8.- Pomocou prvého zákona termodynamiky vypočítajte zmenu vnútornej energie systému, do ktorého bolo pridané teplo 2 800 J, a podarilo sa mu vykonať prácu 3 600 J.

ΔE = q - w

ΔE = 2 800 J - 3 600 J

AE = -800 J

Došlo k poklesu vnútornej energie

9. - Pomocou prvého zákona termodynamiky vypočítajte zmenu vnútornej energie systému, ku ktorému bolo pridané teplo 1 900 Joulov, a podarilo sa mu vykonať prácu 2 900 Joulov.

ΔE = q - w

ΔE = 1900 J - 2100 J

AE = -200 J

Došlo k poklesu vnútornej energie

10. - Pomocou prvého termodynamického zákona vypočítajte zmenu vnútornej energie systému, do ktorého sa pridalo teplo 200 Joulov, a dokázal vykonať prácu 400 Joulov.

ΔE = q - w

ΔE = 200 J - 400 J

AE = -200 J

Došlo k poklesu vnútornej energie