Back to chapter

6.3:

אנרגיה פנימית

JoVE Core
Chemistry
This content is Free Access.
JoVE Core Chemistry
Internal Energy

Languages

Share

בתהליך כימי, ההפרש בין אנרגיות פנימיות של המגיבים והתוצרים, מיוצג על ידי ΔU ומשמש כדי להגדיר האם המערכת הרוויחה או הפסידה אנרגיה במהלך ההתגובה. אם ΔU גדול מאפס, סך האנרגיה הפנימית הייתה גבוהה מהאנרגיה הפנימית ההתחלתית והמערכת הרוויחה אנרגיה תוך כדי התגובה. אם ΔU קטנה מאפס, האנרגיה הפנימית הסופית נמוכה מסך האנרגיה הפנימית ההתחלתית, כלומר, המערכת הפסידה אנרגיה.לפי החוק הראשון של התרמודינמיקה, כל שינוי באנרגיה של המערכת חייב להיות מאוזן על ידי שינוי נגדי שווה ערך בסביבתו. בהתאם לכך, השינוי באנרגיה הפנימית של המערכת שווה לאנרגיה המועברת בצורת חום, המסומלת על ידי Q, ועוד האנרגיה המועברת בצורת עבודה, המסומלת על ידי W, במהלך התהליך. בכימיה, הסימנים של חום ועבודה תלויים בהאם המערכת הפסידה או הרוויחה אנרגיה.חשבו על השינוי של פחמן דו חמצני ליסודות פחמן וחמצן. המגיב הוא בעל אנרגיה נמוכה מהתוצרים, כלומר, דלתא U חיובית. האנרגיה מועברת מהסביבה למערכת ומגבירה את האנרגיה הפנימית שלה.לחלופין, במהלך התגובה בין גופרית לגז חמצן ביצירה של גופרית דו חמצנית, אנרגיה מועברת אל הסביבה. כאן התוצרים הם בעלי אנרגיה פנימית נמוכה מהמגיבים וΔU שלילית. לכן, ΔU תלויה רק במצב האנרגיה הפנימית ההתחלתית והסופית של המערכת ובעוצמת החום והעבודה שמוחלפים עם הסביבה.

6.3:

אנרגיה פנימית

The total of all possible kinds of energy present in a substance is called the internal energy (U), sometimes symbolized as E. Suppose a system with initial internal energy, Uinitial, undergoes a change in energy (transfer of work or heat), and the final internal energy of the system is Ufinal. Change in internal energy equals the difference between Ufinal and Uinitial

Eq1

Although the values for Ufinal and Uinitial cannot be determined for a system, the first law of thermodynamics only requires the value of ΔU, which can be determined even without knowing the values of Ufinal and Uinitial. A positive value of ΔU results when Ufinal > Uinitial, and indicates that the system has gained energy from the surroundings. A negative value of ΔU is obtained when Ufinal < Uinitial, and indicates that the system has lost energy to the surroundings.

Heat (thermal energy) and work (mechanical energy) are the two different ways a system can exchange energy with its surroundings. Energy is transferred into a system when it absorbs heat (q) from the surroundings or when the surroundings do work (w) on the system. 

For example, energy is transferred into room-temperature metal wire if it is immersed in hot water (the wire absorbs heat from the water), or when the wire is rapidly bent back and forth (the wire becomes warmer because of the work done on it). Both processes increase the internal energy of the wire, which is reflected in an increase in the wire’s temperature. Conversely, energy is transferred out of a system when heat is lost from the system or when the system does work on the surroundings. For example, the burning of rocket fuel releases a tremendous amount of heat and also performs work on the surroundings by applying a force over a distance (causing a space shuttle to lift off from the ground). Both processes decrease the internal energy of the system.

The relationship between internal energy, heat, and work can be represented by the equation:

Eq1

This is one version of the first law of thermodynamics, and it shows that the internal energy of a system changes through heat flow into or out of the system or work is done on or by the system. The signs for heat and work depend on whether the system gains or loses energy. Positive q is heat flow into the system from the surrounding, while negative q is heat flow out of the system. The work, w, is positive if it is done on the system and negative if it is done by the system.

When q and w are both positive (>0), ΔU is always positive (>0), and the internal energy of the system increases. When q and w are both negative (<0), ΔU is always negative (<0), and the internal energy of the system decreases. If q and w have different sign conventions, then the sign of ΔU depends on the relative magnitudes of q and w.    

The SI unit of energy, heat, and work is the joule (J).

This text is adapted from OpenStax Chemistry 2e, Section 5.3: Enthalpy.