Внутрішня енергія в термодинаміці

Внутрішня енергія - термодинамічна величина, яка дорівнює сума всіх енергій системи, такі як кінетика та потенціал. Це було представлений як E, а іноді як U.

E = Ec + Ep +…

Саме вона визначає Перший закон термодинаміки. Цей закон встановлює енергозбереженняІншими словами, він ні створений, ні знищений. Іншими словами, цей закон сформульовано, кажучи, що для даної кількості форми зникаюча енергія, інша її форма виявиться в рівній кількості до відсутньої суми.

Будучи одиницею енергії, вимірюється в джоулях (J), згідно з Міжнародною системою одиниць.

Деякі з них пояснюється Першим законом термодинаміки кількість тепла "q", доданого в систему. Ця кількість призведе до збільшення внутрішньої енергії системи, а також виконає деяку зовнішню роботу "w", як наслідок зазначеного теплопоглинання.

ΔE + w = ​​q

ΔE = q - w

Якщо ми оголосимо як ΔE збільшення внутрішньої енергії системи та “w” роботу, виконану системою на контурі, то ми матимемо попередню формулу.

Рівняння становить математичну основу Першого закону термодинаміки. Оскільки внутрішня енергія залежить лише від стану системи, то сама зміна ΔE, що бере участь у проходженні стану, де внутрішня енергія є E

₁ до іншого, де є E₂ повинен даватися:

ΔE = E₂ - Е₁

Таким чином, ΔE залежить лише від початкового та кінцевого станів системи і жодним чином від способу, в який була внесена така зміна.

Ці міркування не стосуються "w" і "q", оскільки їх величина залежить від способу виконання роботи при переході з початкового стану в кінцевий.

Символ "w" відображає загальну роботу, виконану системою. Наприклад, в гальванічному елементі w може включати надану електроенергію, плюс, якщо є зміни об'єм, будь-яка енергія, яка використовується для розширення або стиснення проти протилежного тиску «Р».

Зміна обсягу найкраще видно, наприклад, на поршні двигуна внутрішнього згоряння. Робота, виконана системою проти протилежного тиску "p", який є зовнішнім, і зі зміною гучності від V₁ до V₂, описується формулою:

w = pΔV

Якщо єдиною роботою, яку виконує система, є така природа, то підстановка цього рівняння в Перший закон термодинаміки:

ΔE = q - w -> ΔE = q - pΔV

Рівняння Першого закону термодинаміки є абсолютно загальними і застосовуються до розрахунку Зміни внутрішньої енергії ΔE, Робота w, Тепло q. Однак за особливих умов ці рівняння можуть набувати особливої ​​форми.

1.- Коли Обсяг постійний: якщо обсяг не змінюється, тоді ΔV = 0, і робота w буде дорівнювати 0. Тому враховується лише:

ΔE = q

2.- Коли опозиційний тиск p дорівнює нулю: Процес цього типу називається безкоштовним розширенням. Отже, якщо p = 0, то w буде обчислюватися як w = 0. Ще раз:

ΔE = q

Величини q, w та ΔE є експериментально вимірюваними, але величини E як такі - ні; Цей останній факт не є перешкодою в термодинаміці, оскільки нас цікавлять головним чином зміни E (ΔE), а не абсолютні значення.

Приклади внутрішньої енергії

1. - За допомогою Першого закону термодинаміки обчисліть зміну внутрішньої енергії системи, до якої додано тепло 1500 джоулів, і вдалося виконати роботу 400 джоулів.

ΔE = q - w

ΔE = 1500 Дж - 400 Дж

ΔE = 1100 Дж

Відбулося збільшення внутрішньої енергії

2. - Використовуючи Перший закон термодинаміки, обчисліть зміну внутрішньої енергії системи, до якої додано тепло 2300 Джоулів, і вдалося виконати роботу в 1350 Джоулів.

ΔE = q - w

ΔE = 2300 Дж - 1350 Дж

ΔE = 950 Дж

Відбулося збільшення внутрішньої енергії

3. - Використовуючи Перший закон термодинаміки, обчисліть зміну внутрішньої енергії системи, до якої додано тепло 6100 джоулів, і вдалося виконати роботу 940 джоулів.

ΔE = q - w

ΔE = 6100 Дж - 940 Дж

ΔE = 5160 Дж

Відбулося збільшення внутрішньої енергії

4. - Використовуючи Перший закон термодинаміки, обчисліть зміну внутрішньої енергії системи, до якої додано тепло 150 джоулів, і вдалося виконати роботу 30 джоулів.

ΔE = q - w

ΔE = 150 Дж - 30 Дж

ΔE = 120 Дж

Відбулося збільшення внутрішньої енергії

5. - Використовуючи Перший закон термодинаміки, обчисліть зміну внутрішньої енергії системи, до якої додано тепло 3400 Джоулів, і вдалося виконати роботу 1960 Джоулів.

ΔE = q - w

ΔE = 3400 Дж - 1960 Дж

ΔE = 1440 Дж

Відбулося збільшення внутрішньої енергії

6. - Використовуючи Перший закон термодинаміки, обчисліть зміну внутрішньої енергії системи, до якої додано тепло 1500 джоулів, і вдалося виконати роботу 2400 джоулів.

ΔE = q - w

ΔE = 1500 Дж - 2400 Дж

ΔE = -900 Дж

Відбулося зменшення внутрішньої енергії

7. - За допомогою Першого закону термодинаміки обчисліть зміну внутрішньої енергії системи, до якої додано тепло 9600 Джоулів, і вдалося виконати роботу в 14000 Джоулів.

ΔE = q - w

ΔE = 9600 Дж - 14000 Дж

ΔE = -4400 Дж

Відбулося зменшення внутрішньої енергії

8. - Використовуючи Перший закон термодинаміки, обчисліть зміну внутрішньої енергії системи, до якої додано теплоту 2800 Джоулів, і вдалося виконати роботу 3600 Джоулів.

ΔE = q - w

ΔE = 2800 Дж - 3600 Дж

ΔE = -800 Дж

Відбулося зменшення внутрішньої енергії

9. - Використовуючи Перший закон термодинаміки, обчисліть зміну внутрішньої енергії системи, до якої додано тепло 1900 Джоулів, і вдалося виконати роботу 2100 Джоулів.

ΔE = q - w

ΔE = 1900 Дж - 2100 Дж

ΔE = -200 Дж

Відбулося зменшення внутрішньої енергії

10. - Використовуючи Перший закон термодинаміки, обчисліть зміну внутрішньої енергії системи, до якої додано тепло 200 джоулів, і вдалося виконати роботу 400 джоулів.

ΔE = q - w

ΔE = 200 Дж - 400 Дж

ΔE = -200 Дж

Відбулося зменшення внутрішньої енергії