6.3: 내부 에너지

물질에 존재하는 가능한 모든 종류의 에너지의 총합을 내부 에너지(U)라고 하며, 때로는 E로 기호화되기도 합니다. 초기 내부 에너지인 U_initial을 갖는 계가 에너지 변화(일 또는 열 전달)를 겪는다고 가정합니다. 시스템의 최종 내부 에너지는 U_final입니다. 내부 에너지의 변화는 U_final과 U_initial의 차이와 같습니다.

시스템에서는 U_final과 U_initial의 값을 결정할 수 없지만, 열역학 제1법칙에서는 ΔU의 값만 필요하며, U_final과 U_initial의 값을 몰라도 U_final과 U_initial의 값을 결정할 수 있습니다. ΔU의 양수 값은 U_final > U_initial일 때 발생하며 시스템이 주변으로부터 에너지를 얻었음을 나타냅니다. ΔU의 음수 값은 U_final < U_initial일 때 얻어지며, 이는 시스템이 주변으로 에너지를 손실했음을 나타냅니다.

열(열 에너지)과 일(기계 에너지)은 시스템이 주변 환경과 에너지를 교환할 수 있는 두 가지 서로 다른 방식입니다. 시스템이 주변으로부터 열(q)을 흡수하거나 주변이 시스템에 일(w)할 때 에너지가 시스템으로 전달됩니다.

예를 들어, 상온의 금속선을 뜨거운 물에 담그거나(선이 물에서 열을 흡수함), 선을 앞뒤로 빠르게 구부리면(선이 하는 일로 인해 선이 따뜻해짐) 에너지가 상온의 금속선으로 전달됩니다. 두 공정 모두 와이어의 내부 에너지를 증가시키며 이는 와이어 온도의 증가에 반영됩니다. 반대로, 시스템에서 열이 손실되거나 시스템이 주변 환경에서 작동할 때 에너지는 시스템 외부로 전달됩니다. 예를 들어, 로켓 연료가 연소되면 엄청난 양의 열이 방출되고, 먼 거리에 걸쳐 힘을 가하여 주변에 일을 수행합니다(우주 왕복선이 지상에서 이륙하게 됨). 두 프로세스 모두 시스템의 내부 에너지를 감소시킵니다.

내부 에너지, 열, 일의 관계는 다음 방정식으로 나타낼 수 있습니다.

이것은 열역학 제1법칙의 한 버전으로, 시스템 안팎으로의 열 흐름을 통해 시스템의 내부 에너지가 변화하거나 시스템에서 또는 시스템에 의해 작업이 수행됨을 보여줍니다. 열과 일의 징후는 시스템이 에너지를 얻거나 잃는 여부에 따라 달라집니다. 양의 q는 주변에서 시스템으로의 열 흐름이고, 음의 q는 시스템에서 나가는 열 흐름입니다. 일 w는 시스템에서 수행되면 양수이고 시스템에서 수행되면 음수입니다.

q와 w가 모두 양수(>0)이면 ΔU는 항상 양수(>0)이고 시스템의 내부 에너지가 증가합니다. q와 w가 모두 음수(<0)이면 ΔU는 항상 음수(<0)이고 시스템의 내부 에너지는 감소합니다. q와 w가 서로 다른 부호 규칙을 갖는 경우 ΔU의 부호는 q와 w의 상대적 크기에 따라 달라집니다.

에너지, 열, 일의 SI 단위는 줄(J)입니다.

이 문서는 에서 발췌되었습니다 OpenStax Chemistry 2e, Section 5.3: Enthalpy.

화학적인 과정에서 반응물과 생성물의 내부 에너지 간의 차이, 즉, 델타 U를 사용하여 계가 반응하는 동안 에너지를 얻었는지 또는 잃었는지 여부를 판단합니다. ΔU가 0보다 크면 최종 내부 에너지가 초기 내부 에너지보다 높고 계는 반응하는 동안 에너지를 얻은 것입니다. ΔU가 0보다 작으면 최종 내부 에너지는 초기 내부 에너지보다 낮으며 이는 계의 에너지 손실을 의미합니다.

열역학 제1법칙에 따르면, 계에서 에너지의 어떤 변화도 주변 환경에서 크기가 같고 방향이 반대되는 에너지의 변화에 의해 균형을 이루어야 합니다. 따라서, 계의 내부 에너지의 변화는 프로세스 기간에 q"로 상징되는 열로 전달되는 에너지와 w"로 상징되는 일로 전달되는 에너지의 합과 동일합니다. 화학에서 열과 일의 음양은 계가 에너지를 얻는지 또는 잃는 지에 따라 달라집니다.

이산화탄소를 탄소 원소와 산소로 변환하는 과정을 고려해 봅시다. 반응물은 생성물보다 내부 에너지가 낮으며 그 결과 델타 U가 양수입니다. 에너지는 환경에서 계로 전달되어 내부 에너지를 증가시킵니다.

대신에 유황과 산소 기체가 반응하여 이산화황을 생성하는 동안 에너지는 주위 환경으로 전달됩니다. 여기서 생성물은 반응물보다 내부 에너지가 낮으며 결국 델타U는 음수입니다. 따라서 델타U는 계의 초기 및 최종 내부 에너지 상태와 환경과 교환하는 열 및 일의 규모에만 연관됩니다.