Energia wewnętrzna

Energia wewnętrzna (oznaczana jako $E_w$ lub $u$ ) jest istotnym pojęciem w termodynamice. Reprezentuje całkowitą energię układu, obejmującą energię potencjalną i kinetyczną jego makroskopowych części oraz energię kinetyczną i potencjalną cząsteczek, a także energię wewnątrzcząsteczkową.

Ustalanie wartości energii wewnętrznej jest trudne z powodu jej złożoności. W praktyce bardziej istotna jest zmiana energii wewnętrznej, która najlepiej opisuje procesy termodynamiczne. Na przykład w gazie doskonałym zmiana energii wewnętrznej jest równa zmianie energii kinetycznej cząsteczek.

Energia wewnętrzna jest jednym z potencjałów termodynamicznych. Zgodnie z I zasadą termodynamiki, można ją wyrazić za pomocą dwóch parametrów stanu, takich jak ciśnienie, temperatura czy objętość.

Związek z innymi wielkościami termodynamicznymi

Zmiana energii wewnętrznej jest opisana równaniem:

$dU = TdS – pdV + \sum_{i=1}^N \mu_i dN_i$

gdzie:

$T$ – temperatura (w kelwinach)
$S$ – entropia
$p$ – ciśnienie
$V$ – objętość
$\mu_i$ – potencjał chemiczny i-tego składnika
$N_i$ – liczba cząsteczek i-tego składnika

Na podstawie tego równania można wyznaczyć:

$T = \left( \frac{\partial U}{\partial S} \right)_{V,N_1,\dots,N_N}$ – temperatura
$p = -\left( \frac{\partial U}{\partial V} \right)_{S,N_1,\dots,N_N}$ – ciśnienie
$\mu_i=\left( \frac{\partial U}{\partial N_i} \right)_{S,V,N_1,\dots, N_{i-1},N_{i+1},\dots, N_N}$ – potencjał chemiczny

Jednostką energii w układzie SI jest dżul (J).

W gazie doskonałym

Dla gazu doskonałego zmiana energii wewnętrznej jest równa zmianie energii kinetycznej cząsteczek, co można wyrazić wzorem:

$\Delta U = \Delta E_k = n C_V \Delta T$

gdzie:

$n$ – liczba moli gazu
$C_V$ – ciepło molowe przy stałej objętości
$\Delta T$ – zmiana temperatury gazu

Najnowsze aktualności:

Energia wewnętrzna