Warto przeczytać

Energią wewnętrzną ciała nazywamy sumę energii kinetycznych cząsteczek oraz energii potencjalnych oddziaływań międzycząsteczkowych i wewnątrzcząsteczkowych.

Cząsteczki mają energię kinetyczną, bo są w ciągłym ruchu: postępowym, obrotowym lub drgającym. Cząsteczki ciał stałych i cieczy mają też energię potencjalną, bo działają na siebie przyciągającymi siłami o krótkim zasięgu, które wiążą cząsteczki w strukturę krystaliczną lub w ciecz. Wszystkie cząsteczki chemiczne mają energię potencjalną oddziaływań elektromagnetycznych wiążących atomy w cząsteczkę zwaną energią wiązania.

Mówimy, że energia wewnętrzna jest funkcją stanu. Co to właściwie znaczy? W matematyce funkcją nazywamy takie przyporządkowanie elementów dwóch zbiorów X i Y, że każdemu elementowi ze zbioru X odpowiada tylko jeden element ze zbioru Y. Jeśli więc energia wewnętrzna jest funkcją stanu, to oznacza, że w określonym stanie ma zawsze taką samą wartość – każdemu stanowi przyporządkowana jest tylko jedna wartość energii wewnętrznej. Stan układu określają jego parametry: masa, temperatura, ciśnienie, a także objętość. Wartość energii wewnętrznej nie zależy od historii układu, czyli tego, co działo się z nim wcześniej. Zmiana energii wewnętrznej podczas dowolnego procesu zależy tylko od stanu początkowego i końcowego układu, a nie zależy od procesu, który spowodował zmianę stanu.

Rte4MzDCH370z

Rys. 1. Zdjęcie przedstawia dwa szklane kufle wypełnione do połowy wodą.

Przyjrzyjmy się dwóm szklankom z wodą (Rys. 1.). W każdej jest 200 g wody o temperaturze 20Indeks górny o^oC. Woda w jednej szklance powstała na skutek stopienia lodu, a następnie została ogrzana do 20Indeks górny o^oC. Woda w drugiej szklance występowała w przeszłości w postaci pary wodnej, która została skroplona i oziębiona do temperatury 20Indeks górny o^oC. Woda w obu szklankach jest w takim samym stanie, a więc ma taką samą energię wewnętrzną. Nie ma znaczenia, że woda w pierwszej szklance, aby dojść do obecnego stanu pobrała ciepło na stopienie lodu i zwiększenie temperatury, a woda z drugiej szklanki oddała o wiele większe ciepło podczas skraplania pary i zmniejszania temperatury.

Innymi przykładami procesów, które powodują zmianę stanu są przemiany gazowePrzemiana gazowaprzemiany gazowe. Gaz o określonej masie opisują trzy parametry: temperatura, ciśnienie i objętość. Stan gazu możemy przedstawić na wykresie zależności ciśnienia p od objętości V (Rys. 2.).

R1daNwA73oMmq

Rys. 2. Na rysunku pokazano układ współrzędnych, na którego poziomej osi odłożono objętość oznaczoną wielką literą V, a na pionowej osi ciśnienie oznaczone małą literą p. W układzie współrzędnych zaznaczono dwa punkty: punkt oznaczony wielką literą A oraz na prawo od niego punkt oznaczony wielką literą B. Od punktu A do punktu B poprowadzono niebieską linię krzywą ze strzałką skierowaną w stronę punktu B. Linia ta, oznaczona cyfrą jeden, obrazuje przejście gazu od stanu A do stanu B. Inna, czerwona linia krzywa o początku w punkcie A i końcu w punkcie B obrazuje inną przemianę gazu od stanu A do stanu B. Linia ta oznaczona jest cyfrą dwa.

Każdy punkt na wykresie to określony stan gazu: położenie punktu wyznacza wartość ciśnienia i objętości, a temperaturę T można obliczyć z równania stanu gazuRównanie stanu gazu doskonałegorównania stanu gazu $\frac{\mathrm{\text{pV}}}{T}=nR$, gdzie n to liczba moli, a R = 8,31 J/K – stała gazowa. Na wykresie pokazane są dwa stany gazu A i B. Gaz może przejść od stanu A do stanu B na różne sposoby. Pokazane tu dwie krzywe AB, (1) i (2), ilustrują dwie spośród wszystkich możliwych przemian. Punkty na tych krzywych przedstawiają kolejne stany, w których znajduje się gaz podczas przemiany. W każdej z możliwych przemian gaz może pobrać lub oddać inną ilość ciepła i wykonać inną pracę. Jednak zmiana energii wewnętrznej podczas każdej przemiany od stanu A do stanu B jest zawsze jednakowa, bo zależy tylko od stanu początkowego i końcowego gazu.

A jaka będzie zmiana energii wewnętrznej, gdy gaz po kolejnych przemianach powróci do stanu początkowego (Rys. 3.)? Na wykresie pokazano cztery kolejne przemiany AB, BC, CD i DA, w wyniku których gaz powrócił do stanu początkowego. Oczywiście, gdy gaz po przemianach znajdzie się ponownie w stanie A, jego energia wewnętrzna będzie taka sama, jak przed przemianami, bo energia wewnętrzna jest funkcją stanu. Zmiana energii wewnętrznej w cyklu zamkniętym zawsze jest równa zeru. Dotyczy to nie tylko przemian gazowych, ale wszystkich przemian termodynamicznych.

R1TIwL21HgUTf

Rys. 3. Na rysunku pokazano układ współrzędnych, na którego poziomej osi odłożono objętość, oznaczoną wielką literą V, a na pionowej osi ciśnienie, oznaczone małą literą p. W układzie współrzędnych narysowano prostokąt, którego każdy bok obrazuje inną przemianę gazu. Wierzchołki prostokąta oznaczone są wielkimi literami A, B, C i D. Przemianę AB obrazuje poziomy odcinek ze strzałką skierowaną w prawo. Przemianę BC obrazuje pionowy odcinek ze strzałką skierowaną do góry. Przemianę CD obrazuje poziomy odcinek ze strzałką skierowaną w lewo. Przemianę DA obrazuje pionowy odcinek ze strzałką skierowaną w dół.

Słowniczek