Energia wewnętrzna (oznaczana zwykle jako U lub Ew) w termodynamice – całkowity zasób energii układu stanowiący sumę energii oddziaływań międzycząsteczkowych i wewnątrzcząsteczkowych układu, a także energii ruchu cieplnego cząsteczek oraz wszystkich innych rodzajów energii występujących w układzie.
Wartość energii wewnętrznej jest trudna do ustalenia ze względu na jej złożony charakter. W opisie procesów termodynamicznych istotniejsza i łatwiejsza do określenia jest zmiana energii wewnętrznej. Na przykład dla gazu doskonałego jedyną składową energii wewnętrznej, która może się zmieniać, jest energia kinetyczna cząsteczek gazu. Stąd zmiana energii wewnętrznej równa jest zmianie energii kinetycznej cząsteczek. Wynika stąd, że gdy energia wewnętrzna gazu pozostaje stała, nie zmienia się również temperatura gazu doskonałego.
Energia wewnętrzna jest jednym z potencjałów termodynamicznych. Według I zasady termodynamiki energia wewnętrzna stanowi jednoznaczną funkcję stanu, którą dla gazu można wyrazić przez dowolne dwa parametry stanu, np. ciśnienie, temperaturę, objętość właściwą, entalpię, entropię i inne.
Jednostką energii w układzie SI jest dżul (J).
Pierwsza zasada termodynamiki jest zasadą zachowania energii. Jej treść można sformułować następująco:
W układzie zamkniętym, w którym zachodzą dowolne zjawiska mechaniczne, cieplne, elektryczne, magnetyczne, chemiczne czy przemiany jądrowe, nie można w żaden sposób zmienić całkowitej energii układu
A więc dla układów zamkniętych:
U = const. a więc DU = 0
Większość rzeczywistych procesów zachodzi w układach otwartych i dla takich I zasada termodynamiki brzmi:
Zmiana energii wewnętrznej układu otwartego DU może nastąpić albo na sposób ciepła Q, albo na sposób pracy W:
DU = Q + W
Równanie to dotyczy układów otwartych, ale takich, w których wymieniana jest tylko energia. Jeśli wymieniana jest również masa, równanie przybiera inną postać, uwzględniającą energię wpływających i wypływających strumieni materii.
Ciepło w termodynamice to forma przekazywania energii termicznej. Relacja między energią termiczną a ciepłem jest taka sama jak między pracą i energią w mechanice. Cieplnym odpowiednikiem określenia "wykonanie pracy na układzie" jest określenie "wystąpienie przepływu ciepła".Ciepło przepływa między ciałami, które znajdują się w stosunku do siebie w nierównowadze termicznej, zwykle wtedy, gdy posiadają one różną temperaturę. W niektórych, szczególnych przypadkach może ono jednak także przepływać między ciałami o tej samej temperaturze.Ciepło może przepływać poprzez:
· przewodzenie (bezpośredni kontakt układów),
· konwekcję (unoszenie)
· promieniowanie elektromagnetyczne
Jednostką ciepła w układzie SI jest dżul. W innych układach jednostek wyrażana jest przez kalorie, ergi i inne. Tradycyjnie, we wzorach fizycznych, ciepło oznacza się literą Q.
Praca nie jest energią - lecz miarą zmiany energii lub „sposobem” przekazywania energii. Praca obrazuje proces, którego wynikiem jest zmiana energii. Energia związana jest z układem i charakteryzuje stan tego układu, natomiast praca wykonana nad doprowadzeniem układu do tego stanu może być rożna, zależnie od sposobu jej wykonywania, od drogi, po której przebiega dany proces. W termodynamice najczęściej spotykaną pracą, która zmienia
energię wewnętrzną układu jest tzw. praca objętościowa, związana ze zmianą objętości układu, którym jest np. gaz w cylindrze pod tłokiem. Jeśli zmiana objętości zachodzi przy
stałym ciśnieniu zewnętrznym, to praca W równa jest iloczynowi ciśnienia p przez zmianę objętości DV:
W = - p×DV
Iloczyn p×DV musi być podany ze znakiem minus, ponieważ przy sprężaniu gazu, kiedy jego energia wewnętrzna wzrasta, objętość maleje DV < 0. Aby zgodnie z podaną dalej umową praca na sprężanie była dodatnia, iloczyn p×DV musimy napisać z minusem.
Z kolei przy rozprężaniu DV > 0, ale praca jest ujemna, zatem znak minus zapewnia słuszność równania dla obu przypadków pracy objętościowej.
Jednostką miary pracy w układzie jednostek miar SI jest dżul (J) określany jako niuton·metr:
Ciepło właściwe – energia podnosząca temperaturę ciała o jednostkowej masie o jednostkę temperatury:
gdzie c – ciepło właściwe; ΔQ – zmiana ciepła (energii); m – masa; ΔT – zmiana temperatury
W układzie SI jednostką ciepła właściwego jest dżul na kilogram razy kelwin:
Ciepło właściwe jest wielkością charakteryzującą każdą substancję pod względem energetycznym.
Skala Kelvina (skala bezwzględna) jest skalą absolutną, tzn. zero w tej skali oznacza najniższą teoretycznie możliwą temperaturę, jaką może mieć ciało. Jest to temperatura w której (wg fizyki klasycznej) ustały wszelkie drgania cząsteczek. Temperatura ta nie została nigdy osiągnięta, gdyż praktycznie nie da się jej osiągnąć, lecz obliczono ją na podstawie funkcji uzależniającej temperaturę od energii kinetycznej w gazach doskonałych.
Inną skalą o tej właściwości jest skala Rankine'a, oparta na skali Fahrenheita.
Temperatura 0 K jest równa temperaturze -273,15 °C. Ponieważ skala Kelvina oparta jest na skali Celsjusza i różnica temperatur jest w obu przypadkach ta sama, temperaturę w kelwinach otrzymujemy przez dodanie do liczby wyrażonej w stopniach Celsjusza stałej 273,15:
Skala Celsjusza to skala termometryczna, w pierwotnej skali Celsiusa temperatura pokojowa odpowiadała 80 stopniom (dziś 20). Temperatura ciała człowieka w tej pierwotnej skali wynosiła 63,4 stopnia (współcześnie 36,6). Podczas mroźnego poranka pierwszy termometr Celsiusa mógł wskazywać 110 stopni (obecnie -10). Od 1774 do 1954 stopień skali Celsjusza zdefiniowany był jako jedna setna różnicy temperatur topnienia lodu i wrzenia wody przy ciśnieniu normalnym jednej atmosfery fizycznej. Zero na skali Celsjusza przyporządkowano temperaturze topnienia lodu. 100 stopniom Celsjusza odpowiadała temperatura wrzenia wody w warunkach normalnych. Definicja ta cały czas jest w powszechnym użyciu i naucza się jej w szkołach. Obecnie skala Celsjusza jest zdefiniowana przez Międzynarodowe Biuro Miar i Wag poprzez temperaturę zera bezwzględnego (−273,15 °C) oraz temperaturę punktu potrójnego wody VSMOW (0,01 °C), a zatem stopień Celsjusza to 1/273,16 tego przedziału.
mogaj