Siseenergia — termodünaamika definitsioon, komponendid ja ühikud

Siseenergia — põhjalik ülevaade termodünaamikas: definitsioon, komponendid, arvutamine ja ühikud (SI), selged näited tudengitele ja inseneridele.

Termodünaamikas on termodünaamilise süsteemi või täpselt määratletud piiridega keha siseenergia, mida tähistatakse U või mõnikord E, molekulide liikumisest (translatsiooni-, rotatsiooni-, vibratsiooni-) tuleneva kineetilise energia ja molekulides või kristallides olevate aatomite vibratsiooni- ja elektrienergiaga seotud potentsiaalse energia summa. See hõlmab kõigi keemiliste sidemete energiat ja metallide vabade juhtivate elektronide energiat.

Siseenergia on termodünaamiline potentsiaal ja suletud termodünaamilise süsteemi puhul, mida hoitakse konstantse entroopia juures, on see minimaalne.

Samuti saab arvutada elektromagnetilise või musta keha kiirguse siseenergiat. See on süsteemi olekufunktsioon, ulatuslik suurus. Energia SI-ühik on džauli, kuigi kasutusel on ka teised ajaloolised, tavapärased ühikud, näiteks (väike ja suur) kalorsus soojuse jaoks. (Kalorid, mis on klassikalistel toiduainete etikettidel, on tegelikult kilokalorid).

Määratlus ja siseenergia komponendid

Siseenergia on kogu süsteemis oleva mikroskoopilise liikumise ja vastastikmõjude summaarne energia. Peamised panused on:

• Kineetiline energia — molekulide ja osakeste translatsiooni-, rotatsiooni- ja vibratsiooniliikumine;
• Potentsiaalne energia — intermolekulaarsed jõud, keemilised sidemed ja elektronide positsioonienergia aatomites ja kristallvõrkudes;
• Elektroniline energia — vabad elektronid metallides ja elektronide orbitaalide energia aatomites;
• Muud panused — nukleaarenergia tavaliselt ebaoluline keemilistes ja termodünaamilistes protsessides, elektromagnetilise kiirguse energia (nt musta keha kiirgus) võib samuti kaasa anda olulise osa.

Omadused ja termodünaamilised seosed

Siseenergia on olekufunktsioon — selle väärtus sõltub süsteemi hetkeseisust (nt temperatuuri, rõhu, koostise) aga mitte protsessi rajast. See on ulatuslik suurus: kahe sama tüüpi süsteemi ühendamisel liituvad nende siseenergiad.

Esimene termodünaamika seadus seob siseenergia muutuse soojuse ja tööga. Suletud süsteemi korral kehtib elementaarne seos:

dU = δQ − δW,

kus δQ on süsteemi antud soojushulk ja δW tehtud töö süsteemi poolt. Reversiivse protsessi jaoks väljendatakse see sageli ka vormis

dU = TdS − pdV,

kus T on temperatuur, S entroopia, p rõhk ja V maht. Avatud süsteemides tuleb arvestada ka aine vahetust ja keemilist tööd ning sobivaks väljendiks on siis

dU = TdS − pdV + Σ μ_i dN_i,

kus μ_i ja N_i on vastavalt i-nda komponendi keemiline potentsiaal ja osakeste arv.

Spetsiifilised juhtumid ja valemid

• Ideaalgaas: siseenergia sõltub ainult temperatuurist. Täisarvulise gaasi korral kehtib U = n C_v T, kus n on moolide arv ja C_v on molaarne soojusmahtuvus konstantsel mahul. Näiteks monaatomse ideaalgaasi puhul C_v = 3/2 R, seega U = (3/2) n R T.
• Võrdlus entalpiaga: entalpia H = U + pV on mugav seisundifunktsioon protsesside kirjeldamisel, kus toimub rõhuallane töö (nt keemilised reaktsioonid avatud süsteemis).
• Musta keha kiirgus: kiirguse energia tihedus on u = a T⁴, kus T on absoluuttemperatuur ja a on kiirgustiheduse konstant (a = 4σ/c, σ on Stefan–Boltzmanni konstant ja c valguse kiirus). Suuremahulise ruumala korral U = u V = a T⁴ V.
• Võrdlemine massipõhise suurusega: sageli kasutatakse spetsiifilist siseenergiat u = U/m (J/kg) või molaarset siseenergiat Ū (J/mol).

Mõõtmine ja praktiline tähendus

Siseenergia muutust mõõdetakse praktiliselt kalorimeetria abil, määrates süsteemi poolt eraldunud või vastu võetud soojuse ja tehtud töö. Siseenergia muutused ilmnevad temperatuuri tõusuna, faasimuutuste (latentne soojus) või keemiliste reaktsioonide puhul.

Praktilised rakendused: soojusmasinad, külmutusseadmed, keemilised protsessid, materjalide soojusmahtuvuse määramine ja metalli elektronilise omaduse hindamine – kõik need sõltuvad siseenergia ja selle muutuste täpsest mõistmisest.

Ühikud ja tavakasutus

• SI-ühik: džaul (J).
• Sagedased teisendid: J/mol (molaarne siseenergia), J/kg (spetsiifiline siseenergia).
• Ajaloolised ühikud: kalor (söögikalorite tähistamisel kasutatakse tegelikult kilokalorit, 1 kcal = 4184 J).
• Väga väikesed energiaskaalad: elektronvolt (eV) kasutusel aatom- ja osakestefüüsikas.

Kokkuvõte

Siseenergia on süsteemi sisemine energia, mis koondab mikroskoopilised kineetilised ja potentsiaalsed panused. See on olekufunktsioon ja ulatuslik suurus, mida muudetakse soojuse ja töö kaudu. Termodünaamikas on siseenergia mõiste keskne — see seob makroskoopilised mõõdetavad suurused (T, p, V, S) süsteemi mikroskoopilise energiahulgaga ning võimaldab analüüsida protsesside efektiivsust ja energiate vahetust.

Küsimused ja vastused

K: Mis on sümbol, mida kasutatakse sisemise energia tähistamiseks?

K: Millist liiki energiat hõlmab siseenergia?

K: Kas siseenergia on olekufunktsioon?

K: Millist ühikut kasutatakse siseenergia mõõtmiseks?

K: Kuidas mõjutab entroopia siseenergiat?

K: Kas saab arvutada elektromagnetilise kiirguse või musta keha kiirguse siseenergiat?

K: Kas toidu etiketid on kalorite loetelus täpsed?

Otsing