Hoppa till innehållet
Hem

Inre energi i termodynamiska system

Översikt av begreppet inre energi: definition, huvudsakliga komponenter, termodynamiska egenskaper, mätning och betydelse i exempel som gaser, fasta ämnen och strålning.

Författare: Skapad: Uppdaterad:

Översikt

Begreppet inre energi beskriver den sammanlagda energi som finns i ett slutet termodynamiskt system på mikroskopisk nivå. Den brukar betecknas som U eller ibland E och omfattar både rörelseenergi och potentiell energi hos systemets beståndsdelar. I grundläggande beskrivningar i termodynamiken behandlas inre energi som en central tillståndsstorhet för ett termiskt system eller en avgränsad kropp med tydliga gränser.

Vad ingår i inre energi?

Inre energi består av flera bidrag: den kinetiska energi som orsakas av molekylers translationella rörelse samt rotation och vibration, och den potentiella energi som hör ihop med bindningar och elektriska interaktioner. De olika bidragen beskrivs ofta var för sig, till exempel kinetisk energi från translation, rotatorisk energi som kopplas till molekylernas orientering och roterande rörelser, samt vibrationell energi i bindningar. Även elektronisk energi och andra interna nivåer i atomer och kristallgitter räknas till inre energin, liksom energin förenad med elektriska och atomära interaktioner.

Vidare inkluderar inre energi energin i kemiska bindningar och energin hos fria ledningselektroner i metaller. Man kan till exempel skilja mellan energi lagrad i atomer och i kristallstrukturer, eller i specifika kemiska bindningar och elektroniska tillstånd.

Egenskaper och termodynamiska samband

Inre energi är en tillståndsfunktion och en omfattande storhet: dess värde beror endast på systemets tillstånd och ökar med systemets storlek. Som termodynamisk potential har U viktiga samband med andra storheter; under processer med konstant entropi tenderar U att anta ett minimum för ett slutet system. I många sammanhang behandlas också relationen mellan inre energi, värme och arbete enligt första huvudsatsen för termodynamiken: förändringen av den inre energin kan uttryckas i termer av tillfört värme och utfört arbete.

Mätning, enheter och praktiska aspekter

Energi anges i SI-enheten joule, men historiskt och praktiskt används också kalorier i värmehantering. I termodynamiska beräkningar används ofta standardiserade tabeller och modellfunktioner för att bestämma U som funktion av temperatur, tryck eller volym. Inre energi kan också definieras och beräknas för elektromagnetisk strålning eller svartkroppsstrålning, där spektrala egenskaper spelar roll. I fasta och flytande material påverkas U starkt av bindningsstrukturer och fria elektroner, exempelvis i metaller och andra ledande material.

Historia, användning och distinktioner

Begreppet utvecklades när den klassiska kaloriteorin ersattes av energibegrepp knutet till arbete och värme, i arbeten av tidiga termodynamiker och experter på värmelära. Idag används inre energi i både teoretiska och tekniska tillämpningar: från idealgasmodeller och kinetisk teori till materia i fasta former och strålningsfält. Det är viktigt att skilja mellan inre energi och närbesläktade storheter som entalpi eller fria energier (till exempel Helmholtz fri energi); dessa tar hänsyn till ytterligare arbets- eller omgivningsberoenden.

Ytterligare läsning och referenser

Översikt

Den inre energin omfattar inte den translations- eller rotationsmässiga kinetiska energin hos en kropp som helhet. Den innefattar inte heller den relativistiska mass-energi-ekvivalenten E = mc2 . Den omfattar inte någon potentiell energi som en kropp kan ha på grund av att den befinner sig i ett yttre gravitations- eller elektrostatiskt fält, även om den potentiella energi som den har i ett fält på grund av ett inducerat elektriskt eller magnetiskt dipolmoment räknas, liksom energin från deformation av fasta material (spänning och töjning).

Principen om ekvipartition av energi i den klassiska statistiska mekaniken säger att varje molekylär frihetsgrad får 1/2 kT energi, ett resultat som ändrades när kvantmekaniken förklarade vissa anomalier, t.ex. i de observerade specifika värdena hos kristaller (när hν > kT). För monatomiskt helium och andra ädelgaser består den inre energin endast av de enskilda atomernas translationella rörelseenergi. Monatomära partiklar roterar eller vibrerar naturligtvis inte (på ett förnuftigt sätt) och är inte elektroniskt exciterade till högre energier utom vid mycket höga temperaturer.

Enligt den statistiska mekaniken är den inre energin lika med genomsnittet av systemets totala energi.

Frågor och svar

F: Vilken symbol används för att beteckna intern energi?

S: Den symbol som används för att beteckna intern energi är U, eller ibland E.

F: Vilken typ av energi ingår i den inre energin?

S: Den inre energin omfattar den kinetiska energin till följd av molekylers rörelse (translation, rotation, vibration) och den potentiella energin i samband med vibration och elektrisk energi hos atomer i molekyler eller kristaller. Den omfattar också energin i alla kemiska bindningar och fria ledningselektroner i metaller.

F: Är den inre energin en tillståndsfunktion?

S: Ja, intern energi är en termodynamisk potential och en tillståndsfunktion för ett system.

F: Vilken enhet används för att mäta den inre energin?

S: SI-enheten för att mäta intern energi är joule, även om andra historiska enheter som kalorier fortfarande används.

F: Hur påverkar entropin den inre energin?

S: För ett slutet termodynamiskt system som hålls vid konstant entropi kommer dess inre energier att minimeras.

F: Kan man beräkna de inre energierna för elektromagnetisk strålning eller svartkroppsstrålning?

Svar: Ja, det är möjligt att beräkna den inre energin för elektromagnetisk strålning eller svartkroppsstrålning.

F: Är livsmedelsetiketter korrekta när de anger kalorier?

Svar: Nej, livsmedelsetiketter är inte korrekta när de anger kalorier eftersom de i själva verket hänvisar till kilokalorier i stället.

Relaterade artiklar

Författare

AlegsaOnline.com Inre energi i termodynamiska system

URL: https://sv.alegsaonline.com/art/47620

Dela

Källor