Energia wewnętrzna
Potencjały termodynamiczne
Entalpia
H.=U+P.V{\ displaystyle H = U + PV} |
Wielki potencjał
Φsol=fa-∑jaμjanieja{\ displaystyle \ Phi _ {G} = F- \ sum _ {i} \ mu _ {i} n_ {i}} |
Energia wewnętrzna z systemem termodynamicznej jest energią zawiera. Jest to rozbudowana funkcja stanu związana z tym systemem.
Jest równa sumie energii kinetycznej każdej elementarnej istoty o niezerowej masie i wszystkich potencjalnych energii interakcji elementarnych bytów tego układu. W rzeczywistości odpowiada wewnętrznej energii układu, określonej w skali mikroskopowej , z wyłączeniem energii kinetycznej lub potencjalnej interakcji układu z otoczeniem, w skali makroskopowej .
U=∑micin, mikrofon+∑migarnek, mikrofon{\ displaystyle U = \ suma E _ {\ text {cin, mikro}} + \ suma E _ {\ text {pot, mikrofon}}}Energia wewnętrzna jest zatem składową całkowitej energii systemu, zdefiniowanej zależnością:
miogólnie=micin makro+∑misłoik makro+U{\ displaystyle E _ {\ text {global}} = E _ {\ text {cin, makro}} + \ suma E _ {\ text {pot, makro}} + U}Wartość energii wewnętrznej nie jest ani mierzalna, ani obliczalna. Możemy jednak, jako funkcja stanu, mieć dostęp do jego odmian .
ΔU{\ displaystyle \ Delta U}
Energia globalna i energia wewnętrzna systemu
Globalna energia
Sumie energii z systemu termodynamicznego składa się z cząstek, cząsteczek lub atomów, można podzielić na dwie kategorie:
- energia kinetyczna odpowiadającym ruchowi do systemu jako całości, jak również ruchy cząstek, które to tworzą;
- z potencjalnych źródeł energii , z powodu oddziaływania układu z otoczeniem zewnętrznym poprzez grawitacyjne, elektryczne lub magnetyczne pola, ale również ze względu na interakcje pomiędzy cząsteczkami, jonów i atomów, elektrony jąder nukleony ..., które tworzą ten układ.
Każdą z tych kategorii można podzielić na dwa poziomy:
- poziom makroskopowy , wrażliwy na nasze zmysły, to znaczy na skalę ludzką, odpowiadający makroskopowej energii kinetycznej układu w ruchu w danym układzie odniesienia oraz makroskopowym energiom potencjalnym układu umieszczonego w polach grawitacyjnych, elektryczny lub magnetyczny :;micin makro {\ displaystyle E _ {\ text {cin, makro}} ~}Σmisłoik makro {\ Displaystyle \ Sigma E _ {\ tekst {garnek, makro}} ~}
- mikroskopowe poziom , niedostępne dla zmysłów, odpowiadające mikroskopijnych energii kinetycznej, że możemy asymilacji do mieszania termicznego cząstek: i wszystkie potencjalne energii mikroskopijnych interakcji, które mogą się asymilować, między innymi, energie wiązań chemicznych i energia interakcji między jądrami (energia jądrowa) .Σmicin, mikrofon {\ displaystyle \ Sigma E _ {\ text {cin, mikro}} ~}Σmigarnek, mikrofon {\ displaystyle \ Sigma E _ {\ text {pot, mic}} ~}
Globalną energię systemu można zatem zapisać:
miogólnie=micin makro+∑misłoik makro+∑micin, mikrofon+∑migarnek, mikrofon{\ Displaystyle E _ {\ tekst {globalny}} = E _ {\ tekst {cin, makro}} + \ suma E _ {\ tekst {garnek, makro}} + \ suma E _ {\ tekst {cin, mikro }} + \ sum E _ {\ text {pot, mikro}}}
Energia wewnętrzna
Z definicji suma mikroskopijnych energii stanowi energię wewnętrzną układu, czyli jego własną energię:
U{\ displaystyle U}
U=∑micin, mikrofon+∑migarnek, mikrofon{\ displaystyle U = \ suma E _ {\ text {cin, mikro}} + \ suma E _ {\ text {pot, mikrofon}}}Biorąc pod uwagę złożoność interakcji na poziomie mikroskopowym, energii wewnętrznej nie da się obliczyć, co wyjaśnia, dlaczego większość zależnych od niej funkcji stanu układu (z wyjątkiem entropii ) nie jest absolutnie znana. Możemy tylko obliczyć ich zmienność.
U{\ displaystyle U} S{\ displaystyle S}
Energia wewnętrzna jest funkcją stanu systemu. Jej zmienność zależy tylko od stanu końcowego i początkowego stanu równowagi, a nie od charakteru transformacji . Jego różnica jest dokładną różnicą całkowitą .
reU{\ displaystyle \ mathrm {d} U}
Zastosowanie w układach fizyko-chemicznych
W przypadku reakcji chemicznej układ reakcyjny pozostanie w stanie spoczynku w skali makroskopowej (reaktor nie porusza się w polach grawitacyjnych, elektrycznych i magnetycznych). Dlatego jego energia makroskopowa pozostaje stała.
miogólnie=U+stały {\ displaystyle E _ {\ text {global}} = U + {\ text {stała}} ~}Zmiana energii układu podczas reakcji chemicznej jest zatem równa zmianie jego energii wewnętrznej:
Δmiogólnie=ΔU {\ displaystyle \ Delta E _ {\ text {global}} = \ Delta U ~}Pierwsza zasada termodynamiki wynika, że istnieje zasada zachowania energii i w tym przypadku, gdy energia wewnętrzna układu jest różna, to dlatego, że nie jest to wymiana energii z otoczeniem zewnętrznym albo w postaci pracy lub w postaci ciepła . Zakłada się oczywiście, że system jest zamknięty, a zatem nie ma wymiany materiału.
W. {\ displaystyle W ~} Q {\ displaystyle Q ~}
Możemy pisać :
ΔU=W.+Q {\ Displaystyle \ Delta U = W + Q ~}To wyrażenie jest najczęściej używane do podsumowania stwierdzenia pierwszej zasady termodynamiki .
Jeśli system jest izolowany, tj. Nie ma wymiany ze środowiskiem zewnętrznym,
ΔU=0 {\ Displaystyle \ Delta U = 0 ~} : energia wewnętrzna pozostaje stała.
Jeśli przemiana jest cykliczna, układ wraca do stanu początkowego, a ponieważ energia wewnętrzna jest funkcją stanu ,
ΔU=W.+Q=0 {\ Displaystyle \ Delta U = W + Q = 0 ~} : energia wewnętrzna pozostaje stała i .
W.=-Q {\ displaystyle W = -Q ~}Jeśli objętość jest stała ( przemiana izochoryczna ) i jeśli związana z nią praca jest spowodowana tylko siłami nacisku, praca wynosi zero. Skąd :
V {\ Displaystyle V ~}
ΔU=QV {\ displaystyle \ Delta U = Q_ {V} ~}W tych warunkach wprowadzone do gry ciepło staje się równe zmianie funkcji stanu i nie zależy już od przebytej ścieżki. Właściwość ta jest podstawą kalorymetrii stałej objętości stosowanej w bombie kalorymetrycznej .
U {\ Displaystyle U ~}
Zróżnicowane formy energii wewnętrznej i współczynniki kalorymetryczne
reU=δQ+δW.{\ Displaystyle \ mathrm {d} U = \ delta Q + \ delta W}.
Złoto,
δQ=VSv.reT+l.reV{\ Displaystyle \ delta Q = C_ {v}. \ mathrm {d} T + l. \ mathrm {d} V}.
W przypadku, gdy w grę wchodzą tylko siły nacisku:
δW.=-P..reV{\ Displaystyle \ delta W = -P. \ mathrm {d} V}w związku z tym
reU=VSv.reT+(l-P.).reV{\ Displaystyle \ mathrm {d} U = C_ {v}. \ mathrm {d} T + (LP). \ Mathrm {d} V}- Współczynniki kalorymetryczne
Energia wewnętrzna jest funkcją stanu, a jej całkowita różnica jest dokładna.
reU=(∂U∂T)V.reT+(∂U∂V)T.reV{\ Displaystyle \ mathrm {d} U = \ lewo ({\ Frac {\ częściowe U} {\ częściowe T}} \ prawej) _ {V}. \ mathrm {d} T + \ lewo ({\ Frac {\ częściowe U} {\ częściowe V}} \ right) _ {T}. \ Mathrm {d} V}W związku z tym
VSv=(∂U∂T)V{\ Displaystyle C_ {v} = \ lewo ({\ Frac {\ częściowe U} {\ częściowe T}} \ prawo) _ {V}}l-P.=(∂U∂V)T{\ Displaystyle lP = \ lewo ({\ Frac {\ częściowe U} {\ częściowe V}} \ prawej) _ {T}}δQ=T.reS{\ Displaystyle \ delta Q = T. \ mathrm {d} S}Skąd
reU=T.reS-P..reV{\ Displaystyle \ mathrm {d} U = T. \ mathrm {d} SP. \ mathrm {d} V}- Współczynniki kalorymetryczne
reS=δQT{\ displaystyle \ mathrm {d} S = {\ frac {\ delta Q} {T}}}reS=VSv.reTT+lT.reV{\ Displaystyle \ mathrm {d} S = C_ {v}. {\ Frac {\ mathrm {d} T} {T}} + {\ Frac {l} {T}}. \ mathrm {d} V}Jednak entropia jest funkcją stanu, a jej całkowita różniczka jest dokładna.
reS=(∂S∂T)V.reT+(∂S∂V)T.reV{\ Displaystyle \ mathrm {d} S = \ lewo ({\ Frac {\ częściowe S} {\ częściowe T}} \ prawej) _ {V}. \ mathrm {d} T + \ lewo ({\ Frac {\ częściowe S} {\ częściowe V}} \ right) _ {T}. \ Mathrm {d} V}Wynika, że
VSv=T.(∂S∂T)V{\ Displaystyle C_ {v} = T. \ lewo ({\ Frac {\ częściowe S} {\ częściowe T}} \ prawo) _ {V}}l=T.(∂S∂V)T{\ Displaystyle l = T. \ lewo ({\ Frac {\ częściowe S} {\ częściowe V}} \ prawej) _ {T}}
Bibliografia
-
PW Atkins, Heat & Disorder - The Second Principle of Thermodynamics , kolekcja The Universe of Science , Belin / Pour La Science, 1987, 216 s.Niezwykłe dzieło popularyzujące termodynamikę z makroskopowego i mikroskopowego punktu widzenia autorstwa słynnego profesora chemii-fizyki Uniwersytetu Oksfordzkiego. Poziom licencjacki.
-
PW Atkins, Chemia fizyczna , 3 e wyd., Oxford University Press, 1985.
Powiązane artykuły
<img src="https://fr.wikipedia.org/wiki/Special:CentralAutoLogin/start?type=1x1" alt="" title="" width="1" height="1" style="border: none; position: absolute;">