Energia wewnętrzna

Energia wewnętrzna U jest to suma wszystkich energii kinetycznych ruchu cieplnego cząstek oraz energii potencjalnych wzajemnego oddziaływania tych cząstek na siebie jak i ich oddziaływania wewnątrzcząsteczkowego.

Energia wewnętrzna opisuje tak zwany stan termodynamiczny układu. Mówimy, że U jest funkcją stanu.

Jednostką energii wewnętrznej jest dżul (J).

[U] = J (dżul)

W układzie izolowanym jego energia wewnętrzna nie zmienia się. W różnych przemianach termodynamicznych jest możliwa zmiana energii wewnętrznej, nawet, gdy nie działają na układ siły zewnętrzne, czyli gdy siły zewnętrzne nie wykonują pracy nad danym układem. Energia jest w takim przypadku przekazywana do układu w postaci ciepła.

Pojęcia energii wewnętrznej i ciepła stanowią podstawowe wielkości fizyczne w termodynamice.

Jak obliczyć energię wewnętrzną ciała?

Nie jest to łatwe, a najczęściej nawet nie jest potrzebne. W fizyce interesujące są zmiany energii wewnętrznej ΔU i te z reguły można dość łatwo obliczyć.

Wzór na energię wewnętrzną

Nie ma prostego, ogólnego wzoru na energię wewnętrzną. W przypadku gazu doskonałego zakłada się, że energia wewnętrzna jest sumą energii kinetycznych cząsteczek. Energię wewnętrzną gazu doskonałego możemy więc opisać wzorem:

U=E_k=3/2NkT

gdzie

T - temperatura,
N - liczba cząstek,
E_k - energia kinetyczna
k - stała Boltzmanna (k=R/NA=1,38·10-23 J/K).

Wyprowadzenie wzoru znajdziesz tutaj.

Zmianę energii wewnętrznej wyliczymy także ze wzoru na pierwszą zasadę termodynamiki (omówimy ją w innym artykule).

ΔU=W+Q

gdzie W oznacza pracę, a Q - ilość ciepła.

Pytania

Czy do energii wewnętrznej wlicza się tylko energie ruchu postępowego cząstek?

Nie. Jest to suma wszystkich rodzajów energii kinetycznych tych cząstek, a zatem także energia ich drgań, ruchu obrotowego. W przypadku zaś sumowania energii potencjalnych, bierzemy pod uwagę różne cząstki. Ważne jest, aby pomijać te rodzaje energii, które nie zmieniają się przy przemianach cieplnych rozpatrywanego ciała, jak choćby nie bierzemy pod uwagę energii ruchu postępowego całego układu.

Od czego zależy energia wewnętrzna ciała?

Energia wewnętrzna zależy od:

temperatury,
liczby cząstek,
stanu skupienia i rodzaju substancji.

Jak można zmienić wewnętrzną ciała?

Potrzyj o siebie energicznie swoje ręce. Odczujesz wzrost energii wewnętrznej na własnej skórze. Zwiększysz w ten sposób energię wewnętrzną poprzez wykonanie nad ciałem pracy przez siły zewnętrzne. Ale można to też zrobić bez udziału pracy sił zewnętrznych. Połóż ręce na kaloryferze. Energia wewnętrzna wzroście na skutek przekazanego do nich ciepła. Potem włóż ręce do lodówki na chwilę. Obniżysz energię wewnętrzną rąk. I nie wykonano tu żadnej pracy przez siły zewnętrzne.

Ciepło

Ciepło Q jest to sposób przekazywania energii do układu termodynamicznego, w wyniku czego zmienia się jego energia wewnętrzna i zmiana ta nie jest wywołana przez pracę sił zewnętrznych.