Vidinė energija (termodinamika) — apibrėžimas ir savybės
Termodinamikoje termodinaminės sistemos arba kūno su aiškiai apibrėžtomis ribomis vidinė energija, žymima U arba kartais E, yra sistemos mikroskopinių dalelių sukauptos energijos suma. Ji apima tiek kinetinę energiją, atsirandančią dėl molekulių ir atomų judėjimo (transliacinę, rotacinę, vibracinę), tiek potencinę energiją, susijusią su atomų ir elektronų sąveikomis molekulėse arba kristaluose. Į vidinę energiją taip pat įeina visų cheminių ryšių energija ir metaluose esančių laisvųjų laidžiųjų elektronų energija, be to — elektroninės bei ekscitinės būsenos energijos.
Vidinė energija paprastai neapima kūno makroskopinės centro masės kinetinės energijos ar išorinės gravitacinės/potencialinės energijos, nebent tokios energijos aiškiai priskiriamos sistemai. Vidinė energija yra termodinaminis potencialas ir termodinaminis potencialas — uždaroje termodinaminėje sistemoje, kurioje entropija yra pastovi, ji bus minimizuota: tarp visų būsenų, turinčių tą pačią entropiją ir tuos pačius išorinius parametrus, pusiausvyros būsena atitinka mažiausią U.
Pagrindinė termodinamikos lygtis (pirmasis termodinamikos dėsnis) uždaroje sistemoje parašoma kaip ΔU = Q − W, t. y. vidinės energijos pokytis lygus šilumos pridėjimui Q minus darbo, kurį sistema atlieka W. Atitinkamai diferencialinė forma reverzibiliam procesui yra dU = T dS − p dV + Σ μ_i dN_i, kur T — temperatūra, S — entropija, p — slėgis, V — tūris, μ_i ir N_i — cheminių komponentų cheminės potencialų ir kiekių reikšmės.
Keletas svarbių savybių ir pasekmių:
- Būsenos funkcija: U priklauso tik nuo sistemos būsenos (pvz., T, V, N), o ne nuo to, kaip sistema į tą būseną pateko.
- Ekstensyvus dydis: U proporcinga sistemos dydžiui (masėi arba dalelių skaičiui): padvigubinus sistemą, vidinė energija dvigubėja).
- Idealioji dujinė aproksimacija: idealioms monoatomėms dujoms vidinė energija priklauso tik nuo temperatūros ir lygi U = (f/2) nRT (f — laisvės laipsnių skaičius; monoatomėms f = 3, taigi U = (3/2) nRT).
- Nuolatinio tūrio kalorimetrija: esant pastoviam tūriui darbas p dV = 0, todėl matuojama šiluma tiesiogiai keičia vidinę energiją: ΔU = Q_v.
Taip pat galima apskaičiuoti elektromagnetinės arba juodojo kūno spinduliuotės vidinę energiją, jei spinduliuotė įtraukiama į sistemos energijos balansą. Vidinė energija yra sistemos būsenos funkcija ir ekstensyvus dydis.
Energijos matavimo vienetas SI yra džauliukas, nors tebenaudojami ir kiti istoriniai matavimo vienetai, pavyzdžiui (mažoji ir didžioji) šilumos kalorija. Praktikoje šilumos matavimui naudojamos kalorimetrijos metodikos; maisto produktų etiketėse nurodytos „kalorijos“ paprastai reiškia kilokalorijas (kcal), t. y. 1 kcal = 4184 J.
Trumpai: vidinė energija apibendrina visas mikroskopines energijas sistemoje, yra esminis termodinamikos dydis, susijęs su šilumos mainais ir darbu, bei naudojamas kartu su kitais termodinaminiais potencialais (entalpija, Helmholczo laisvoji energija, Gibso laisvoji energija) priklausomai nuo užduotų sąlygų (konstanta T, V, p ar S).
Apžvalga
Į vidinę energiją neįeina viso kūno transliacinė ar sukamoji kinetinė energija. Ji taip pat neapima reliatyvistinio masės ir energijos ekvivalento E = mc2 . Ji neapima jokios potencinės energijos, kurią kūnas gali turėti dėl to, kad yra išoriniame gravitaciniame ar elektrostatiniame lauke, nors potencialioji energija, kurią jis turi lauke dėl indukuoto elektrinio ar magnetinio dipolinio momento, įskaičiuojama, kaip ir kietųjų kūnų deformacijos (įtempių ir deformacijų) energija.
Klasikinės statistinės mechanikos energijos pasiskirstymo principas teigia, kad kiekvienas molekulinis laisvės laipsnis gauna 1/2 kT energijos; šis rezultatas buvo pakeistas, kai kvantinė mechanika paaiškino tam tikras anomalijas, pvz., pastebėtas kristalų savitąsias šilumas (kai hν > kT). Vienatomio helio ir kitų tauriųjų dujų vidinę energiją sudaro tik atskirų atomų transliacinė kinetinė energija. Monatominės dalelės, žinoma, (prasmingai) nesisuka ir nesibruka, ir nėra elektroniniu būdu sužadinamos iki didesnių energijų, išskyrus labai aukštas temperatūras.
Statistinės mechanikos požiūriu, vidinė energija yra lygi visos sistemos energijos ansambliniam vidurkiui.
Klausimai ir atsakymai
Klausimas: Koks simbolis naudojamas vidinei energijai žymėti?
A: Vidinei energijai žymėti naudojamas simbolis U arba kartais E.
K: Kokią energijos rūšį apima vidinė energija?
A.: Vidinė energija apima kinetinę energiją, atsirandančią dėl molekulių judėjimo (transliacinio, sukamojo, vibracinio), ir potencinę energiją, susijusią su atomų vibracine ir elektrine energija molekulėse ar kristaluose. Ji taip pat apima visų cheminių ryšių energiją ir laisvus laidumo elektronus metaluose.
Klausimas: Ar vidinė energija yra būsenos funkcija?
Atsakymas: Taip, vidinė energija yra termodinaminis potencialas ir sistemos būsenos funkcija.
K: Koks vienetas naudojamas vidinei energijai matuoti?
A.: Vidinei energijai matuoti naudojamas SI matavimo vienetas - džauliai, nors vis dar naudojami ir kiti istoriniai matavimo vienetai, pavyzdžiui, kalorijos.
K: Kaip entropija veikia vidinę energiją?
A: Uždaros termodinaminės sistemos, kurioje entropija yra pastovi, vidinės energijos bus minimalios.
K: Ar galite apskaičiuoti elektromagnetinės spinduliuotės arba juodojo kūno spinduliuotės vidines energijas?
A: Taip, galima apskaičiuoti elektromagnetinės spinduliuotės arba juodojo kūno spinduliuotės vidines energijas.
K: Ar maisto produktų etiketėse nurodytos kalorijos yra tikslios?
Atsakymas: Ne, maisto produktų etiketėse nurodytos kalorijos nėra tikslios, nes jose iš tikrųjų nurodomos kilokalorijos.
