พลังงานภายในในอุณหพลศาสตร์

ดิ กำลังภายใน คือปริมาณทางอุณหพลศาสตร์ที่เท่ากับ ผลรวมของพลังงานทั้งหมดของระบบเช่นจลนศาสตร์และศักยภาพ มันเคยเป็น แสดงเป็น Eและบางครั้งเป็น U.

E = อีซี + อีพี +…

เป็นตัวกำหนด กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์. กฎหมายฉบับนี้กำหนด การอนุรักษ์พลังงานกล่าวอีกนัยหนึ่ง มันไม่ได้ถูกสร้างขึ้นหรือถูกทำลาย กล่าวอีกนัยหนึ่ง กฎนี้กำหนดขึ้นโดยกล่าวว่าสำหรับปริมาณที่กำหนดของรูปแบบ พลังงานที่หายไปอีกรูปแบบหนึ่งจะปรากฏในปริมาณที่เท่ากัน ถึงจำนวนเงินที่ขาดหายไป

เป็นหน่วยของพลังงาน มีหน่วยวัดเป็นจูล (J)ตามระบบสากลของหน่วย

กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์อธิบายไว้ด้วยบ้าง ปริมาณความร้อน "q" ที่เพิ่มเข้าไปในระบบ. ปริมาณนี้จะก่อให้เกิดการเพิ่มขึ้นของพลังงานภายในของระบบ และยังจะทำงานภายนอกบางอย่าง "w" อันเป็นผลมาจากการดูดซับความร้อนดังกล่าว

ΔE + w = ​​​​q

ΔE = q - w

หากเราประกาศเป็น ΔE การเพิ่มขึ้นของพลังงานภายในของระบบและ "w" งานที่ทำโดยระบบบนรูปร่าง เราจะมีสูตรก่อนหน้า

สมการนี้ถือเป็นการสร้างกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ทางคณิตศาสตร์ เนื่องจากพลังงานภายในขึ้นอยู่กับสถานะของระบบเท่านั้น ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงของ ΔE เอง ซึ่งเกี่ยวข้องกับการผ่านของสถานะที่พลังงานภายในคือ E₁ ไปอีกที่หนึ่ง E₂ ต้องได้รับจาก:

ΔE = อี₂ - อี₁

ดังนั้น ΔE จึงขึ้นอยู่กับสถานะเริ่มต้นและขั้นสุดท้ายของระบบเท่านั้น และไม่มีทางที่การเปลี่ยนแปลงดังกล่าวจะเกิดขึ้น

ข้อควรพิจารณาเหล่านี้ใช้ไม่ได้กับ "w" และ "q" เนื่องจากขนาดของสิ่งเหล่านี้ขึ้นอยู่กับวิธีการทำงานให้เสร็จสิ้นในเนื้อเรื่องจากสถานะเริ่มต้นไปยังสถานะสุดท้าย

สัญลักษณ์ "w" หมายถึงงานทั้งหมดที่ทำโดยระบบ ในเซลล์กัลวานิก เช่น w สามารถรวมกำลังไฟฟ้าที่จัดให้ บวก หากมีการเปลี่ยนแปลง ปริมาตร พลังงานใด ๆ ที่ใช้ในการขยายหรือหดตัวต่อแรงดันตรงข้าม oppo "พี".

ตัวอย่างเช่น การเปลี่ยนแปลงของปริมาตรจะมองเห็นได้ดีที่สุดในลูกสูบของเครื่องยนต์สันดาปภายใน งานที่ทำโดยระบบกับแรงกดดัน "p" ที่เป็นปฏิปักษ์ซึ่งเป็นงานภายนอกและมีการเปลี่ยนแปลงปริมาณจาก V₁ ถึงวี₂อธิบายด้วยสูตร:

w = pΔV

หากงานเดียวที่ทำโดยระบบมีลักษณะเช่นนี้ การแทนที่สมการนี้ในกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์คือ:

ΔE = q - w -> ΔE = q - pΔV

สมการของกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์เป็นแบบทั่วไปอย่างสมบูรณ์และนำไปใช้กับการคำนวณการเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายใน ΔE งาน w ความร้อน q อย่างไรก็ตาม ภายใต้เงื่อนไขพิเศษ สมการเหล่านี้สามารถอยู่ในรูปแบบเฉพาะได้

1.- เมื่อ ปริมาณคงที่: ถ้าปริมาตรไม่แปรผัน ดังนั้น ΔV = 0 และงาน w จะเป็น 0 ดังนั้นจึงพิจารณาเฉพาะ:

ΔE = q

2.- เมื่อ ฝ่ายค้านกดดัน p เป็นศูนย์: กระบวนการประเภทนี้เรียกว่า Free Expansion ดังนั้น ถ้า p = 0 แล้ว w จะถูกคำนวณเป็น w = 0 อีกครั้ง:

ΔE = q

ปริมาณ q, w และ ΔE สามารถวัดได้ในการทดลอง แต่ขนาดของ E ไม่สามารถวัดได้ ความจริงข้อสุดท้ายนี้ไม่ใช่อุปสรรคในอุณหพลศาสตร์ เนื่องจากเราสนใจการเปลี่ยนแปลงของ E (ΔE) เป็นหลัก และไม่ใช่ในค่าสัมบูรณ์

ตัวอย่างพลังงานภายใน

1.- ใช้กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์คำนวณการเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายในของระบบที่มีการเพิ่มความร้อน 1,500 จูล และสามารถทำงานได้ 400 จูล

ΔE = q - w

ΔE = 1500 J - 400 J

ΔE = 1100 J

มีพลังงานภายในเพิ่มขึ้น

2.- ใช้กฎข้อที่หนึ่งของเทอร์โมไดนามิกส์ คำนวณการเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายในของระบบที่มีการเพิ่มความร้อน 2300 จูล และสามารถทำงานได้ 1350 จูล

ΔE = q - w

ΔE = 2300 J - 1350 J

ΔE = 950 J

มีพลังงานภายในเพิ่มขึ้น

3.- ใช้กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์คำนวณการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในของระบบที่เพิ่มความร้อน 6100 จูลและจัดการให้ทำงาน 940 จูล

ΔE = q - w

ΔE = 6100 J - 940 J40

ΔE = 5160 J

มีพลังงานภายในเพิ่มขึ้น

4.- ใช้กฎข้อที่หนึ่งของเทอร์โมไดนามิกส์ คำนวณการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในของระบบที่มีการเพิ่มความร้อน 150 จูล และสามารถทำงานได้ 30 จูล

ΔE = q - w

ΔE = 150 J - 30 J

ΔE = 120 J

มีพลังงานภายในเพิ่มขึ้น

5.- ใช้กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ คำนวณการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในของระบบที่มีการเพิ่มความร้อน 3400 จูล และสามารถทำงานได้ถึง 1960 จูล

ΔE = q - w

ΔE = 3400 J - 1960 J

ΔE = 1440 J

มีพลังงานภายในเพิ่มขึ้น

6.- ใช้กฎข้อที่หนึ่งของเทอร์โมไดนามิกส์ คำนวณการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในของระบบที่มีการเพิ่มความร้อน 1,500 จูล และสามารถทำงานได้ถึง 2400 จูล

ΔE = q - w

ΔE = 1500 J - 2400 J

ΔE = -900 J

พลังงานภายในลดลง

7.- ใช้กฎข้อที่หนึ่งของเทอร์โมไดนามิกส์ คำนวณการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในของระบบที่เพิ่มความร้อน 9600 จูล และสามารถทำงานได้ถึง 14,000 จูล

ΔE = q - w

ΔE = 9600 J - 14000 J

ΔE = -4400 J

พลังงานภายในลดลง

8.- ใช้กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ คำนวณการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในของระบบที่เพิ่มความร้อน 2800 จูล และสามารถทำงานได้ถึง 3600 จูล

ΔE = q - w

ΔE = 2800 J - 3600 J

ΔE = -800 J

พลังงานภายในลดลง

9.- ใช้กฎข้อที่หนึ่งของเทอร์โมไดนามิกส์ คำนวณการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในของระบบที่มีการเพิ่มความร้อน 1900 จูล และสามารถทำงานได้ถึง 2100 จูล

ΔE = q - w

ΔE = 1900 J - 2100 J

ΔE = -200 J

พลังงานภายในลดลง

10.- ใช้กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์คำนวณการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในของระบบที่เพิ่มความร้อน 200 จูลและจัดการให้ทำงาน 400 จูล

ΔE = q - w

ΔE = 200 J - 400 J

ΔE = -200 J

พลังงานภายในลดลง