6.3: Energia interna

Il totale di tutti i possibili tipi di energia presenti in una sostanza è chiamato energia interna (U), a volte simboleggiata come E. Supponiamo che un sistema con energia interna iniziale, Uinitial, subisca un cambiamento di energia (trasferimento di lavoro o calore), e l'energia finale interna del sistema è Ufinal. La variazione dell'energia interna è uguale alla differenza tra Ufinal e Uinitial.

Sebbene i valori di Ufinal e Uinitial non possano essere determinati per un sistema, la prima legge della termodinamica richiede solo il valore di ΔU, che può essere determinato anche senza conoscere i valori di Ufinal e Uinitial. Un valore positivo di ΔU risulta quando Ufinal > Uinitial e indica che il sistema ha guadagnato energia dall'ambiente circostante. Un valore negativo di ΔU si ottiene quando Ufinal < Uinitial e indica che il sistema ha perso energia verso l'ambiente circostante.

Calore (energia termica) e lavoro (energia meccanica) sono i due diversi modi in cui un sistema può scambiare energia con l'ambiente circostante. L'energia viene trasferita in un sistema quando assorbe calore (q) dall'ambiente circostante o quando l'ambiente circostante lavora (w) sul sistema.

Ad esempio, l'energia viene trasferita nel filo metallico a temperatura ambiente se viene immerso in acqua calda (il filo assorbe calore dall'acqua) o quando il filo viene piegato rapidamente avanti e indietro (il filo diventa più caldo a causa del lavoro svolto su Esso). Entrambi i processi aumentano l’energia interna del filo, che si riflette in un aumento della temperatura del filo. Al contrario, l'energia viene trasferita fuori da un sistema quando il calore viene perso dal sistema o quando il sistema lavora sull'ambiente circostante. Ad esempio, la combustione del carburante per missili rilascia un'enorme quantità di calore e svolge anche un lavoro sull'ambiente circostante applicando una forza a distanza (provocando il sollevamento di una navetta spaziale da terra). Entrambi i processi diminuiscono l'energia interna del sistema.

La relazione tra energia interna, calore e lavoro può essere rappresentata dall’equazione:

Questa è una versione della prima legge della termodinamica e mostra che l'energia interna di un sistema cambia attraverso il flusso di calore dentro o fuori dal sistema o che il lavoro viene svolto sul o dal sistema. I segni del calore e del lavoro dipendono dal fatto che il sistema guadagni o perda energia. Il q positivo indica il flusso di calore dall'ambiente circostante al sistema, mentre il q negativo rappresenta il flusso di calore fuori dal sistema. Il lavoro w è positivo se compiuto sul sistema e negativo se compiuto dal sistema.

Quando q e w sono entrambi positivi (>0), ΔU è sempre positivo (>0) e l'energia interna del sistema aumenta. Quando q e w sono entrambi negativi (<0), ΔU è sempre negativo (<0) e l'energia interna del sistema diminuisce. Se q e w hanno convenzioni sui segni diverse, allora il segno di ΔU dipende dalle grandezze relative di q e w.

L'unità SI di energia, calore e lavoro è il joule (J).

Questo testo è adattato da OpenStax Chemistry 2e, Section 5.3: Enthalpy.

In un processo chimico, la differenza fra le energie interne dei reagenti e dei prodotti, rappresentata da ΔU, viene utilizzata per determinare se il sistema ha guadagnato o perso energia durante la reazione. Se ΔU è maggiore di zero, l'energia interna finale é maggiore dell'energia interna iniziale, e il sistema ha guadagnato energia durante la reazione. Se ΔU è inferiore a zero, l'energia interna finale è inferiore all'energia interna iniziale, il che significa che il sistema ha perso energia.

Secondo la prima legge della termodinamica, qualsiasi cambiamento nell'energia di un sistema deve essere bilanciato da un cambiamento uguale e opposto nei suoi dintorni. Pertanto, il cambiamento nell'energia interna di un sistema è uguale all'energia trasferita come calore, simboleggiata da q"più l'energia trasferita come lavoro, simboleggiata da w"durante il processo. In chimica, i segni del calore e del lavoro dipendono dal fatto che il sistema guadagni o perda energia.

Si consideri la trasformazione dell'anidride carbonica in carbonio elementare e ossigeno. Il reagente ha un'energia interna inferiore rispetto ai prodotti, il che significa che ΔU è positivo. L'energia viene trasferita dall'ambiente circostante al sistema aumentando la sua energia interna.

In alternativa, durante la reazione tra zolfo e ossigeno gassoso per produrre anidride solforosa, l'energia viene trasferita all'ambiente circostante. In questo caso, i prodotti hanno un'energia interna inferiore rispetto ai reagenti e ΔU è negativo. Quindi, ΔU dipende solo dagli stati energetici interni iniziali e finali del sistema e dall'entità del calore e del lavoro scambiati con l'ambiente circostante.