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6.3:

内能

JoVE Core
Chemistry
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JoVE Core Chemistry
Internal Energy

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在化学过程中,反应物的内能被以 ΔU表示。并决定这系统在过程中增 加或失去多少能量。当ΔU 大于零,最终的内能 便会高于初始的内能,系统便是在过程中增加了能量。当ΔU 小于零,最终的内能便是低于初始的内能,系统便是在反应中失去了能量。根据热力学的第一条定律,任何在系统中改变的能量必须 被外在或周围的能 量改变所平衡掉。因此,一个固定系统的内能改变 会和能量所转换的能量平衡,比如说热力,以「q」表示,而在过程中转换的功 以「w」表示。在化学中,热力及功的踪迹 仰赖系统是否增加或者失去能量。以二氧化碳的分解为元素碳及氧气为例,反应物有比生成物低 的初始内能,代表ΔU是正的。能量从周围转换进此系统,便增加他的内能。另一方面,在硫及氧的生 成二氧化硫的反应中 能量转换进入周围环境。生成物拥有比反应物更低的内能,ΔU是负的。因此ΔU只是代表原 先系统内和外界交换的 热力及功的能量大小。

6.3:

内能

一种物质中存在的所有可能的各种能量的总和称为内部能量( U ),有时也表示为 E 。假设一个具有初始内部能量Uinitial的系统发生了能量变化(功或热传递),并且该系统的最终内部能量为 U final 。内部能量的变化等于 U final U initial 之间的差异。

Eq1

尽管无法确定系统的 U final U initial 的值,但第一定律热力学只需要< U 的值,即使不知道 U final   U的值也可以确定 initial 。当 U final >出现正值时,< U U 为正。 U initial ,表示系统已从周围环境获取能量。当 U final <等于负值时,< U U 为负。 U initial ,表示系统已向周围环境失去能量。

热量(热能)和功(机械能)是系统与周围环境交换能量的两种不同方式。当能量从周围环境吸收热量( q )或周围环境在系统上起作用时( w ),能量就会转移到系统中。

例如,如果将能量浸入热水中(金属丝吸收水的热量),或者当金属丝快速来回弯曲(由于金属丝变热,则能量会转移到室温金属丝中)完成的工作)。这两个过程都增加了导线的内部能量,这反映在导线温度的升高中。相反,当热量从系统散失或系统确实在周围环境中工作时,能量会从系统中转移出去。例如,火箭燃料的燃烧释放出大量的热量,并且还通过施加一定距离的作用力(使航天飞机从地面升空)在周围环境中进行工作。这两个过程都会降低系统的内部能量。

内部能量,热量和功之间的关系可以用以下等式表示:

Eq1

这是热力学第一定律的一个版本,它表明系统的内部能量通过流入或流出系统的热量变化或在系统上或由系统完成工作而发生变化。发热和工作的迹象取决于系统获得能量还是损失能量。正 q 是从周围进入系统的热量,而负 q 是从系统流出的热量。如果 w 工作是在系统上完成的,则为正;如果是由系统完成的,则为负。

q w 均为正数(> 0)时,< U U 始终为正数(> 0),并且系统的内部能量增加。当 q w 均为负数(< 0)时,< U 始终为负数(< 0),内部能量系统的数量减少。如果 q w 具有不同的符号约定,则< U 的符号取决于 q w 。    

能量,热量和功的SI单位是焦耳(J)。

本文改编自 OpenStax 化学2e,第5.3节:焓