Εργασία εσωτερικής ενέργειας
Η εσωτερική ενέργεια περιλαμβάνει την κινητική ενέργεια των μορίων, καθώς και την ενέργεια που αποθηκεύεται σε όλους τους χημικούς δεσμούς μεταξύ των μορίων. Μεταφορές και μετατροπές ενέργειας συμβαίνουν κάθε φορά που ένα σύστημα αλλάζει λόγω της αλληλεπίδρασης θερμότητας, εργασίας και εσωτερικής ενέργειας. Κατά τη διάρκεια αυτών των μεταφορών, ωστόσο, δεν δημιουργείται ούτε χάνεται καθαρή ενέργεια.
Η εργασία είναι η ποσότητα ενέργειας που απαιτείται για να κινηθεί κάτι ενάντια σε μια δύναμη.
Η ενέργεια ενός συστήματος μπορεί να αλλάξει μέσω της εργασίας και άλλων μορφών μεταφοράς ενέργειας, όπως η θερμότητα.
Τα αέρια λειτουργούν με διαστολή ή συμπίεση σύμφωνα με την εξίσωση:
Εργασία =−PΔV
Το Joule είναι η μονάδα μέτρησης της εσωτερικής ενέργειας (J).
Το U χρησιμοποιείται για να αναπαραστήσει την εσωτερική ενέργεια.
ΔU =Q+W (Q → θερμότητα , W → εργασία)
ΔU =Q + ( −PΔV)
Πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής
Η αρχή της διατήρησης της ενέργειας είναι ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής που δηλώνεται για ένα σύστημα σε θερμική ισορροπία όπου η θερμότητα και το έργο είναι οι μέθοδοι μεταφοράς ενέργειας. Η καθαρή μεταφορά θερμότητας, ή Q, είναι το σύνολο όλων των μεταφορών θερμότητας προς και έξω από το σύστημα. Για καθαρή μεταφορά θερμότητας στο σύστημα, το Q είναι θετικό. Το W υποδηλώνει τη συνολική ποσότητα εργασίας που εκτελείται στο σύστημα και από αυτό. Όταν το σύστημα κάνει περισσότερη δουλειά από ό,τι στον εαυτό του, το W είναι θετικό. Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής, ΔU =Q+W, συσχετίζει την αλλαγή στην εσωτερική ενέργεια του συστήματος, U, με τη θερμότητα και το έργο.
Η εσωτερική ενέργεια ενός συστήματος μειώνεται όταν λειτουργεί στο περιβάλλον του. Η εσωτερική ενέργεια του συστήματος αυξάνεται όταν εκτελείται εργασία σε ένα σύστημα. Η αλλαγή ενέργειας από την εργασία, όπως και η θερμότητα, συμβαίνει πάντα ως μέρος μιας διαδικασίας:ένα σύστημα μπορεί να κάνει δουλειά αλλά όχι να το συγκρατήσει.
Τα αέρια μπορούν να διαστέλλονται ή να συμπιέζονται έναντι μιας σταθερής εξωτερικής πίεσης για την εκτέλεση εργασιών. Η αέρια εργασία αναφέρεται επίσης ως εργασία πίεσης-όγκου (ή PV).
Για παράδειγμα, όταν ένα αέριο θερμαίνεται, προσθέτει ενέργεια στα μόρια του αερίου. Παρατηρώντας πώς αυξάνεται η θερμοκρασία του αερίου, μπορούμε να δούμε πώς αυξάνεται η μέση κινητική ενέργεια των μορίων. Καθώς τα μόρια του αερίου κινούνται πιο γρήγορα, συγκρούονται με το έμβολο πιο συχνά. Αυτές οι ολοένα και συχνότερες συγκρούσεις μεταφέρουν ενέργεια στο έμβολο και το αναγκάζουν να κινηθεί ενάντια σε μια εξωτερική δύναμη, αυξάνοντας έτσι τον συνολικό όγκο του αερίου.
Εσωτερικά ενεργειακά σημάδια:
- Η θερμότητα απορροφάται, q>0, επομένως η ενέργεια που εισέρχεται στο σύστημα είναι ΘΕΤΙΚΗ (+). Ως αποτέλεσμα, γίνεται εργασία στο σύστημα, w>0.
- Η ενέργεια που εξέρχεται από το σύστημα είναι ΑΡΝΗΤΙΚΗ (-), υπονοώντας ότι το σύστημα εκπέμπει θερμότητα, q<0 και εκτελεί έργο, w<0.
Εργαστείτε σε περιβάλλον σταθερού όγκου (Isochoric Process)
Μια ισοχορική διαδικασία εμφανίζεται σε σταθερό όγκο. Οι αντιδράσεις ή οι διεργασίες μπορεί μερικές φορές να πραγματοποιηθούν σε ένα άκαμπτο, σφραγισμένο δοχείο, όπως ένα θερμιδόμετρο βόμβας. Επειδή ΔV=0, είναι αδύνατο τα αέρια να κάνουν δουλειά όταν δεν υπάρχει δυνατή αλλαγή στον όγκο. Σε αυτές τις περιπτώσεις, έργο =0, και η ενέργεια του συστήματος πρέπει να αλλάξει με άλλα μέσα, όπως η θερμότητα. Ένα κλειστό τσίγκινο δοχείο που περιέχει μόνο αέρα, για παράδειγμα, μπορεί να πεταχτεί στη φωτιά. Για να σας δώσουμε μια γενική ιδέα, το αέριο θα αποκτήσει εσωτερική ενέργεια αντί να διαστέλλει το δοχείο, όπως αποδεικνύεται από την αυξημένη θερμοκρασία και πίεση.
Μαθηματικά, ΔQ=ΔU.
Εργαστείτε σε περιβάλλον σταθερής πίεσης (Ισοβαρική διαδικασία)
Μια ισοβαρική διεργασία συμβαίνει σε σταθερή πίεση. Καθώς η πίεση είναι σταθερή, η δύναμη που ασκείται είναι σταθερή και η εργασία που γίνεται δίνεται ως PΔV. Ένα κινητό έμβολο σε έναν κύλινδρο, για παράδειγμα, διασφαλίζει ότι η πίεση μέσα στον κύλινδρο είναι πάντα σε ατμοσφαιρική πίεση, παρά το γεγονός ότι είναι απομονωμένη από την ατμόσφαιρα. Με άλλα λόγια, το σύστημα συνδέεται δυναμικά με μια δεξαμενή σταθερής πίεσης μέσω ενός κινητού ορίου. Εάν ένα αέριο πρόκειται να διαστέλλεται με σταθερή πίεση, η θερμότητα πρέπει να παρέχεται στο σύστημα με δεδομένο ρυθμό.
Εσωτερική ενέργεια του ιδανικού αερίου:
Η έννοια του ιδανικού αερίου χρησιμοποιείται συχνά στη θερμοδυναμική ως εργαλείο διδασκαλίας και ως πρόχειρη προσέγγιση για συστήματα εργασίας. Το ιδανικό αέριο είναι ένα αέριο σημειακών αντικειμένων που αλληλεπιδρά μόνο μέσω ελαστικών συγκρούσεων και γεμίζει έναν όγκο με μια μέση ελεύθερη διαδρομή μεταξύ των συγκρούσεων που είναι πολύ μεγαλύτερη από τη διάμετρό τους. Τα μονοατομικά αέρια, το ήλιο και άλλα ευγενή αέρια προσεγγίζονται από τέτοια συστήματα. Μόνο η μεταφορική ενέργεια των μεμονωμένων ατόμων συνθέτει την κινητική ενέργεια σε αυτή την περίπτωση. Τα μονοατομικά σωματίδια δεν μπορούν να επεκταθούν ηλεκτρονικά σε υψηλότερες ενέργειες επειδή δεν περιστρέφονται ούτε δονούνται. Μέχρι να θερμανθούν σε υψηλή θερμοκρασία.
Ως αποτέλεσμα, οι αλλαγές στην κινητική ενέργεια είναι ο μόνος τρόπος για να περιγράψουμε τις αλλαγές της εσωτερικής ενέργειας σε ένα ιδανικό αέριο. Η κινητική ενέργεια είναι η εσωτερική ενέργεια ενός τέλειου αερίου και καθορίζεται πλήρως από την πίεση, τον όγκο και τη θερμοδυναμική του θερμοκρασία.
Η εσωτερική ενέργεια ενός ιδανικού αερίου είναι U =cnT.
Συμπέρασμα
Σύμφωνα με τον πρώτο θερμοδυναμικό νόμο, υπάρχει αλλαγή στην εσωτερική ενέργεια λόγω μεταβολών της θερμότητας και της εργασίας. Όταν ένα σύστημα αλλάζει κατάσταση ως αποτέλεσμα μιας διαδικασίας που περιλαμβάνει μόνο εργασία, η εργασία ισούται με την αλλαγή στην εσωτερική ενέργεια. Εάν η αλλαγή κατάστασης ενός συστήματος περιλαμβάνει και θερμότητα και εργασία, η εσωτερική αλλαγή ενέργειας ισούται με τη θερμότητα που παρέχεται στο σύστημα μείον το έργο που εκτελείται από το σύστημα, σύμφωνα με το νόμο.
