6.3: Внутренняя энергия

Суммарное количество всех возможных видов энергии, присутствующих в веществе, называется внутренней энергией (U), иногда представляет собой символы E. Предположим, что система с начальной внутренней энергией, Уинициал, претерпевает изменения в энергии (перенос работы или тепла), а конечная внутренняя энергия системы является UFinal. Изменение внутренней энергии равно разнице между UFinal и UInitial.  

Хотя значения для UFinal и Uinial не могут быть определены для системы, первый закон термодинамики требует только значения ΔU, которое можно определить даже без знания значений UFinal  и Uinial. Положительное значение ΔU дает результат, когда UFinal > Uinitial, и указывает, что система получила энергию от окружающей среды. Отрицательное значение ΔU достигается, когда UFinal < Uinial, и указывает на то, что система потеряла энергию в окружающую среду.

Тепло (тепловая энергия) и работа (механическая энергия) – это два различных способа обмена энергии системой с окружающей средой. Энергия передается в систему, когда она поглощает тепло (q) из окружающей среды или когда окружающая среда работает (w) в системе.  

Например, энергия передается в металлическую проволоку комнатной температуры, если она погружена в горячую воду (проволока поглощает тепло из воды), или когда провод быстро согнут вперед-назад (проволока нагревается из-за работы с ней). Оба процесса увеличивают внутреннюю энергию провода, что отражается в повышении температуры провода. И наоборот, энергия передается из системы при потере тепла из системы или при работе системы в условиях окружающей среды. Например, сжигание ракетного топлива выделяет огромное количество тепла, а также выполняет работы на окрестности, прикладывая усилие на расстоянии (в результате чего космический челнок поднимается с земли). Оба процесса уменьшают внутреннюю энергию системы.

Взаимосвязь между внутренней энергией, теплом и работой может быть представлена уравнением:

Это одна из версий первого закона термодинамики, и она показывает, что внутренняя энергия системы изменяется за счет потока тепла в систему или из нее, или работа выполняется системой или системой. Признаки нагрева и работы зависят от того, получает ли система энергию или теряет ее. Положительный q – это поток тепла в систему из окружающей среды, а отрицательный q – это поток тепла из системы. Работа, w, является положительной, если она выполняется над системе, и отрицательной, если она выполняется системой.

Когда q и w одновременно положительны (>0), ΔU всегда положительны (>0), и внутренняя энергия системы увеличивается. Если значения q и w являются отрицательными (<0), то значение ΔU всегда отрицательное (<0), а внутренняя энергия системы уменьшается. Если q и w имеют разные условные обозначения знаков, то знак ΔU зависит от относительных величин q и W   

Единица СИ энергии, тепла и работы — джоуль (J).

Этот текст был адаптирован изOpenStax Химия 2е изд., раздел 5.3: Энтальпия.

“