Energia wewnętrzna – co to jest i od czego zależy?

Energia wewnętrzna to suma mikroskopowych energii kinetycznych i potencjalnych wszystkich cząsteczek tworzących układ. Oznacza się ją symbolem U, a jej jednostką w układzie SI jest dżul (J). Zależy między innymi od temperatury, ilości substancji, jej rodzaju i stanu skupienia.

Czym jest energia wewnętrzna?

Energia wewnętrzna opisuje energię materii na poziomie cząsteczkowym. Obejmuje ruch atomów i cząsteczek oraz energię wynikającą z ich wzajemnych oddziaływań. Jest funkcją stanu, czyli jej wartość zależy od aktualnego stanu układu, a nie od sposobu, w jaki układ ten stan osiągnął.

Nie należy utożsamiać jej z całkowitą energią mechaniczną ciała. Energia kinetyczna jadącego samochodu ani energia potencjalna samochodu znajdującego się na wzniesieniu nie są częścią jego energii wewnętrznej. Są związane z ruchem lub położeniem całego obiektu w skali makroskopowej, podczas gdy energia wewnętrzna dotyczy procesów zachodzących wewnątrz materii.

W skrócie: U = suma mikroskopowych energii kinetycznych i potencjalnych cząsteczek, a [U] = J.

Z czego składa się energia wewnętrzna?

Wartość energii wewnętrznej wynika z dwóch podstawowych rodzajów energii cząsteczek:

• Energia kinetyczna – jest związana z chaotycznym ruchem postępowym, obrotowym i drganiami atomów lub cząsteczek.
• Energia potencjalna – wynika z oddziaływań międzycząsteczkowych oraz, w odpowiednich układach, z oddziaływań wewnątrzcząsteczkowych.

W gazie doskonałym przyjmuje się, że oddziaływania między cząsteczkami są pomijalne. Dlatego jego energia wewnętrzna jest związana przede wszystkim z energią kinetyczną cząsteczek. W rzeczywistych gazach, cieczach i ciałach stałych znaczenie energii potencjalnej może być większe.

Od czego zależy energia wewnętrzna?

Na energię wewnętrzną wpływają temperatura, liczba cząsteczek oraz właściwości substancji. Zestawienie tych zależności przedstawia tabela:

Temperatura wiąże się ze średnią energią kinetyczną chaotycznego ruchu cząsteczek. Gdy temperatura rośnie, cząsteczki przeciętnie poruszają się szybciej, więc rośnie także ich średnia energia kinetyczna.

Znaczenie ma również ilość materii. Wiadro wody i szklanka wody o tej samej temperaturze nie mają takiej samej energii wewnętrznej. W wiadrze znajduje się znacznie więcej cząsteczek, dlatego suma ich energii jest większa. W przybliżeniu można powiedzieć, że podwojenie ilości tej samej substancji w tych samych warunkach podwaja jej energię wewnętrzną.

Rodzaj substancji i stan skupienia wpływają szczególnie na energię potencjalną oddziaływań międzycząsteczkowych. Dlatego woda i lód o tej samej temperaturze mogą mieć różną energię wewnętrzną, ponieważ ich cząsteczki są uporządkowane i oddziałują ze sobą w odmienny sposób.

Jak można zmienić energię wewnętrzną?

Energię wewnętrzną zmienia się przez przekaz energii w postaci ciepła albo przez wykonanie pracy. Ciepło i praca nie są rodzajami energii przechowywanymi w ciele, lecz sposobami przekazywania energii między układem a otoczeniem.

1. Przekazanie ciepła – energia przepływa wskutek różnicy temperatur, zwykle od ciała cieplejszego do chłodniejszego. Ogrzewanie wody zwiększa jej energię wewnętrzną, a oddawanie ciepła do otoczenia ją zmniejsza.
2. Wykonanie pracy nad układem – sprężanie gazu, pocieranie dłoni albo ugniatanie plasteliny może zwiększyć energię wewnętrzną.
3. Wykonanie pracy przez układ – podczas rozprężania gaz wykonuje pracę kosztem własnej energii wewnętrznej, więc może się ochłodzić.

Te zależności opisuje pierwsza zasada termodynamiki. Przy konwencji, w której Q oznacza ciepło dostarczone do układu, a W pracę wykonaną nad układem, zapisuje się ją jako ΔU = Q + W. Jeśli pracę oznacza się jako pracę wykonaną przez układ, stosuje się równoważny zapis ΔU = Q – W.

Ważne jest więc rozróżnienie między stanem układu a procesem przekazu energii. Energia wewnętrzna jest funkcją stanu, natomiast ciepło i praca opisują sposób, w jaki energia zmienia stan układu.

Co warto zapamiętać?

Energia wewnętrzna to mikroskopowa energia wszystkich cząsteczek układu, obejmująca ich ruch oraz wzajemne oddziaływania. Zależy od temperatury, ilości substancji, jej rodzaju i stanu skupienia. Może się zwiększać lub zmniejszać wskutek wymiany ciepła i wykonywania pracy.