Interne Energie – thermische Energie
Mögliche Energie und kinetische Energie , die in früheren Kapiteln diskutiert wurden, sind makroskopische Energieformen . Sie sind abhängig von makroskopischen Variablen wie der Position und der Geschwindigkeit von Objekten.
In der Thermodynamik wird innere Energie (auch als Wärmeenergie bezeichnet ) als die Energie definiert, die mit mikroskopischen Energieformen verbunden ist . Es handelt sich um eine umfangreiche Menge , die von der Größe des Systems oder der Menge der darin enthaltenen Substanz abhängt. Die SI-Einheit der inneren Energie ist das Joule (J) . Es ist die im System enthaltene Energie, ohne die kinetische Bewegungsenergie des Gesamtsystems und die potentielle Energie des Systems. Mikroskopische Energieformen sind solche, die auf Rotation , Vibration, Translation und Wechselwirkungen zurückzuführen sindunter den Molekülen einer Substanz. Keine dieser Energieformen kann direkt gemessen oder ausgewertet werden, es wurden jedoch Techniken entwickelt, um die Veränderung der Gesamtsumme all dieser mikroskopischen Energieformen zu bewerten.
Außerdem kann Energie in den chemischen Bindungen zwischen den Atomen gespeichert werden, aus denen die Moleküle bestehen. Diese Energiespeicherung auf atomarer Ebene schließt Energie ein, die mit Elektronenorbitalzuständen, Kernspin und Bindungskräften im Kern verbunden ist.
Die innere Energie wird durch das Symbol U dargestellt , und die Änderung der inneren Energie in einem Prozess ist U 2 – U 1 .
Innere Energie und der erste Hauptsatz der Thermodynamik
In der Thermodynamik wird der Energiebegriff erweitert, um anderen beobachteten Veränderungen Rechnung zu tragen, und das Prinzip der Energieeinsparung wird auf eine Vielzahl von Arten erweitert, in denen Systeme mit ihrer Umgebung interagieren. Die Energie eines geschlossenen Systems kann nur durch Energieübertragung durch Arbeit oder Wärme verändert werden . Basierend auf den Experimenten von Joule und anderen ist es ein grundlegender Aspekt des Energiekonzepts, dass Energie eingespart wird. Dieses Prinzip ist als erstes Hauptsatz der Thermodynamik bekannt . Der erste Hauptsatz der Thermodynamik kann in verschiedenen Formen geschrieben werden:
In Worten:
Gleichungsform:
∆E int = Q – W.
Dabei steht E int für die innere Energie des Materials, die nur vom Zustand des Materials (Temperatur, Druck und Volumen) abhängt . Q ist die Netto-Wärmezufuhr an das System und W ist das Netz durch geleistete Arbeit das System. Wir müssen vorsichtig und konsequent sein, wenn wir die Vorzeichenkonventionen für Q und W befolgen. Da W in der Gleichung die vom System geleistete Arbeit ist, ist W negativ und E int nimmt zu , wenn am System gearbeitet wird.
In ähnlicher Weise ist Q positiv für die dem System zugeführte Wärme. Wenn also Wärme das System verlässt, ist Q negativ. Dies sagt uns Folgendes: Die interne Energie eines Systems steigt tendenziell an, wenn Wärme vom System absorbiert wird oder wenn positive Arbeit am System geleistet wird. Umgekehrt neigt die interne Energie dazu, abzunehmen, wenn das System Wärme verliert oder wenn negative Arbeiten am System ausgeführt werden. Es muss hinzugefügt werden, dass Q und W pfadabhängig sind, während E int pfadunabhängig ist.
Differentialform:
dE int = dQ – dW
Die interne Energie E int eines Systems nimmt tendenziell zu, wenn Energie als Wärme Q hinzugefügt wird, und nimmt tendenziell ab, wenn Energie als vom System geleistete Arbeit W verloren geht.
Siehe auch: Offenes System – Geschlossenes System – Isoliertes System
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