Wróć do informacji o e-podręczniku Wydrukuj Zapisz jako PDF Udostępnij materiał

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. Dwie szklanki z wodą

Przyjrzyjmy się dwóm szklankom z wodą (Rys. 1.). W każdej jest 200 g wody o temperaturze 20Indeks górny oC. Woda w jednej szklance powstała na skutek stopienia lodu, a następnie została ogrzana do 20Indeks górny oC. Woda w drugiej szklance występowała w przeszłości w postaci pary wodnej, która została skroplona i oziębiona do temperatury 20Indeks górny 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. Zmiana energii wewnętrznej podczas przejścia gazu ze stanu A do stanu B jest zawsze jednakowa, bez względu na sposób przejścia.

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 pVT=nR, gdzie n to liczba moli, a R = 8,31 J/K – stała gazowa. Na wykresie pokazane są dwa stany gazu AB. 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, CDDA, 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. Gaz poddano cyklowi przemian AB, BC, CD i DA. Zmiana energii wewnętrznej gazu równa jest zeru, ponieważ gaz powrócił do stanu początkowego.

Słowniczek

Równanie stanu gazu doskonałego
Równanie stanu gazu doskonałego

(ang.: ideal gas law) równanie opisujące związek pomiędzy temperaturą, ciśnieniem i objętością gazu doskonałego: pVT=nR, gdzie p to ciśnienie, V - objętość, T – temperatura w skali Kelwina, n - liczba moli, a R = 8,31 J/K – stała gazowa.

Przemiana gazowa
Przemiana gazowa

(ang.: gas process) przejście między różnymi stanami gazu, któremu towarzyszą zmiany jego parametrów fizycznych.

Przemiana fazowa
Przemiana fazowa

(ang.: phase transition) przejście między fazami, czyli stanami skupienia materii. Przykładami przemian fazowych są:

  • topnienie i krzepnięcie, czyli przejście między stanem ciekłym i stałym,

  • wrzenie i skraplanie, czyli przejście między stanem gazowym i ciekłym,

  • sublimacja i resublimacja, czyli przejście między stanem gazowym i stałym.

Ciepło właściwe
Ciepło właściwe

(ang.: specific heat) energia pobrana podczas zwiększenia temperatury 1 kg substancji o 1 K.

Ciepło topnienia
Ciepło topnienia

(ang.: heat of fusion) energia pobrana przez ciało stałe o masie 1 kg w procesie topnienia. Taką sama energię oddaje ciecz o masie 1 kg podczas krzepnięcia.

Ciepło parowania
Ciepło parowania

(ang.: heat of vaporisation) energia pobrana przez ciecz o masie 1 kg w procesie wrzenia lub parowania. Taką samą energię oddaje para o masie 1 kg podczas skraplania.