6.3: Innere Energie

Die Gesamtheit aller möglichen Arten von Energie, die in einer Substanz vorhanden sind, wird als innere Energie (U) bezeichnet und manchmal als E symbolisiert. Angenommen, ein System mit anfänglicher innerer Energie, U_initial, erfährt eine Energieänderung (Übertragung von Arbeit oder Wärme) und die endgültige innere Energie des Systems ist U_final. Die Änderung der inneren Energie entspricht der Differenz zwischen U_final und U_initial.

Obwohl die absoluten Werte für U_final und U_initial für ein System nicht bestimmt werden können, erfordert der erste Hauptsatz der Thermodynamik nur den Wert von ΔU, der auch ohne Kenntnis der Werte von U_final und U_initial bestimmt werden kann. Ein positiver Wert von ΔU ergibt sich, wenn U_final > U_initial und zeigt an, dass das System Energie aus der Umgebung aufgenommen hat. Ein negativer Wert von ΔU wird erhalten, wenn U_final < U_initial ist, und zeigt an, dass das System Energie an die Umgebung verloren hat.

Wärme (thermische Energie) und Arbeit (mechanische Energie) sind die beiden Arten wie ein System Energie mit seiner Umgebung austauschen kann. Energie wird in ein System übertragen, wenn es Wärme (q) aus der Umgebung aufnimmt oder wenn die Umgebung Arbeit (w) am System verrichtet.

Beispielsweise wird Energie auf einen Metalldraht übertragen, wenn dieser in heißes Wasser getaucht wird (der Draht nimmt die Wärme des Wassers auf) oder wenn der Draht schnell hin und her gebogen wird (der Draht wird durch die Arbeit an ihm wärmer). Beide Prozesse erhöhen die innere Energie des Drahtes und bewirken eine Erhöhung der Temperatur des Drahtes. Umgekehrt wird Energie aus einem System übertragen, wenn Wärme aus dem System verloren geht oder wenn das System Arbeit an der Umgebung verrichtet. Beispielsweise wird beim Verbrennen von Raketentreibstoff eine enorme Menge an Wärme freigesetzt und es wird Arbeit an der Umgebung verrichtet, indem über eine gewisse Wegstrecke eine Kraft ausgeübt wird (was dazu führt, dass ein Space Shuttle vom Boden abhebt). Beide Prozesse verringern die innere Energie des Systems.

Der Zusammenhang zwischen innerer Energie, Wärme und Arbeit kann durch die folgende Gleichung dargestellt werden:

Dies ist eine Version des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik und zeigt, dass sich die innere Energie eines Systems durch Wärmefluss in oder aus dem System oder durch Arbeit an oder durch das System ändert. Die Anzeichen für Wärme und Arbeit hängen davon ab, ob das System Energie aufnimmt oder abgibt. Positives q bezeichnet den Wärmefluss aus der Umgebung in das System, während negatives q den Wärmefluss aus dem System beschreibt. Die Arbeit w ist positiv, wenn sie am System verrichtet wird, und negativ, wenn sie vom System geleistet wird.

Wenn sowohl q und w positiv sind (>0), ist ΔU immer positiv (>0) und die innere Energie des Systems nimmt zu. Wenn q und w beide negativ (<0) sind, ist auch ΔU immer negativ (<0) und die innere Energie des Systems nimmt ab. Wenn q und w unterschiedliche Vorzeichen haben, hängt das Vorzeichen von ΔU von den relativen Größen von q und w ab.

Die SI-Einheit für Energie, Wärme und Arbeit ist das Joule (J).

Dieser Text wurde angepasst von OpenStax Chemistry 2e, Section 5.3: Enthalpy.

Bei einem chemischen Prozess ist der Unterschied zwischen den inneren Energien von Reaktanten und Produkten, durch ΔU vertreten, und wird verwendet, um zu bestimmen, ob das System während der Reaktion Energie gewonnen oder verloren hat. Wenn ΔU größer als Null ist, ist die innere Endenergie höher als die anfängliche innere Energie und das System hat Energie während der Reaktion gewonnen. Wenn ΔU kleiner als Null ist, ist die innere Endenergie niedriger als die anfängliche innere Energie, d.h.

das System hat Energie verloren. Nach dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik, muss jede Veränderung der Energie eines Systems durch eine gleichberechtigte und entgegengesetzte Veränderung in seiner Umgebung ausgeglichen werden. Somit ist die Veränderung der inneren Energie eines Systems gleich der als Wärme übertragenen Energie symbolisiert durch q"zuzüglich der als Arbeit übertragenen Energie symbolisiert durch w"während des Prozesses.

In der Chemie, hängen die Symbole für Wärme und Arbeit davon ab, ob das System Energie gewinnt oder verliert. Betrachten Sie die Umwandlung von Kohlendioxid zu elementarem Kohlenstoff und Sauerstoff. Der Reaktant hat eine geringere innere Energie als die Produkte, was bedeutet, dass ΔU positiv ist.

Energie wird aus der Umgebung auf das System übertragen, das seine innere Energie erhöht. Alternativ wird während der Reaktion zwischen Schwefel und Sauerstoffgas zur Herstellung von Schwefeldioxid, Energie auf die Umgebung übertragen. Hier haben die Produkte eine geringere innere Energie als die Reaktanten, und ΔU ist negativ.

Daher hängt ΔU nur von der anfänglichen und endgültigen inneren Energiezustände des Systems und die Größenordnung von Wärme und Arbeit tauscht sich mit der Umgebung aus.