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.

В химическом процессе разница между внутренней энергией реагентов и продуктов, обозначеная дельта U, используется для определения получила или потеряла энергию система во время реакции. Если дельта U больше нуля, конечная внутренняя энергия была выше начальной внутренней энергии, и система приобрела энергию во время реакции. Если дельта U меньше нуля, конечная внутренняя энергия ниже начальной внутренней энергии, то есть, система потеряла энергию.

Согласно первому закону термодинамики, любое изменение энергии системы должно уравновешиваться равным и противоположным изменением вокруг системы. Таким образом, изменение внутренней энергии системы равно энергии, передаваемой в виде тепла, обозначенной q"плюс энергия, передаваемая как работа, обозначенная w"во время процесса. В химии знаки тепла и работы зависят от того, получает ли система энергию, или теряет.

Рассмотрим превращение углекислого газа в элементы углерод и кислород. Реагент имеет более низкую внутреннюю энергию, чем продукты, что означает, что дельта U положительно. Энергия передается из окружающей среды системе, увеличивая ее внутреннюю энергию.

Как вариант, во время реакции между серой и газообразным кислородом для получения диоксида серы, энергия передается окружающей среде. Здесь продукты имеют более низкую внутреннюю энергию чем реагенты, а дельта U отрицательно. Следовательно, дельта U зависит только от начального и конечного внутреннего энергетического состояния системы и количества тепла и работы которым она обменивается с окружающей средой.