Energia internă este o funcție de stare a unui sistem termodinamic prezentă în egalitatea care exprimă principiul întâi al termodinamicii, formulat de Rudolf Clausius. Variația energiei interne ca funcție de starea într-o transformare termodinamică este egală cu energia transferată către sistem în cursul transformării, ca sumă algebrică a variabilelor de proces lucru mecanic și căldură.
Energia internă, notată de obicei U (uneori E) corespunde energiei intrinseci a unui sistem fizic sau chimic, evidențiabilă la scară microscopică prin mișcarea particulelor microscopice (molecule, atomi, etc.) care compun sistemul.
Energia internă e o componentă a energiei totale a unui sistem, definită prin relația următoare:
Nu necesită raportare la un triedru referențial macroscopicV. Pimsner, Termodinamică tehnică, 1982, p.24. Ea depinde numai de parametrii de stare interni ai sistemului, ca urmare este o funcție de stare, variația infinitezimală dU fiind diferențială exactăVâlcu, p. 67. Ea cuprinde și energiile chimică, electrică, magnetică, sub formă intrinsecă, a parametrilor de stare interni, în substanța care se transformă. Starea internă poate cuprinde și parametrii referitor la polarizare electrică și magnetizare.
Variația energiei interne se manifestă la nivel macroscopic prin variația temperaturii. Se spune că energia internă e dependentă de temperatură, fapt datorat introducerii temperaturii empirice mult înaintea definirii energiei interne.
Temperatura apare în ecuația energiei interne alături de variabilele de poziție conjugate variabilelor de forță. În absența variațiilor temperaturii prin schimb de căldură, ecuația ar conține numai produsul variabilelor de poziție cu variabilele de forță generalizată, similar unei funcții de stare a sistemelor conservative numită energie potențială. Energia internă ține seama de schimbul caloric în formularea unei funcții de stare, adăugând variabilelor de poziție variabila de stare temperatură.Țițeica, p. 45-46
Pentru variabile de poziție constante în cursul transformării variația de energie internă exprimă căldura schimbată cu exteriorul sistemului, care nu depinde de drumul urmat în transformare, numai de stările inițială și finală. Acest fapt constituie baza metodelor calorimetriceȚițeica, p. 36-37.
Forme de energie internă + Forme de energie internă Tip Din ce este formată Energie latentă Potențialul energetic asociat schimbărilor de fază Energie termică Potențialul energetic asociat modificării temperaturii Energie chimică Potențialul energetic asociat reacțiilor chimice Energie nucleară Potențialul energetic asociat reacțiilor nucleare
Energia latentă este partea de energie internă datorită topirii, vaporizării sau sublimării substanțelor.
Energia termică este partea de energie internă datorită energiei cinetice de translație, rotație și vibrație a moleculelor, de translație a electronilor și de spin a electronilor și a nucleelor. Energia termică include energia latentă.
Energie chimică este partea de energie internă datorată forțelor intramoleculare.
Energia nucleară este partea de energie internă datorată forțelor intraatomice.
Energia internă este importantă în termodinamica tehnică și în termodinamica chimică.
Energia internă a unui mediu elastic Pentru un mediu elastic componenta de energie potențială a energiei interne are o natură elastică exprimată în termenii eforturilor unitare și deformațiilor implicate în procesele elastice. În notația Einstein pentru tensori, cu însumarea peste indici repetați, pe un volum de control, enunțul infinitezimal e:
Teorema lui Euler pentru funcții omogene dă pentru energia internă expresia:.
Pentru un material linear elastic, solicitarea e legată de deformare prin:
unde sunt componentele tensorului constantei elastice a mediului.
Energia liberă Nu toată energia internă a unui corp sau sistem poate fi transformată (convertită) în orice altă formă de energie. În acest scop se definesc noțiunile de energie liberă și energie legată:
Energia liberă este energia internă care se poate transforma, în transformările izoterme, direct în alte forme de energie. Variația energiei libere într-un sistem fizic sau chimic într-o transformare izotermă reversibilă este egală cu lucrul mecanic efectuat în cursul transformării. Din această egalitate se pot calcula acțiunile motoare care se exercită asupra sistemului, dacă se cunoaște expresia energiei libere în funcție de mărimile de stare. Se obține din energia internă scăzând energia legată reprezentată prin produsul temperatură - entropieȚițeica, p. 103.
Energia legată este diferența dintre energia internă și energia liberă a sistemului. Această diferență este egală cu produsul TS (termenul entropic), unde T este temperatura absolută a sistemului, iar S este entropia lui.
Note
Bibliografie Remus Răduleț și colab. Lexiconul Tehnic Român, Editura Tehnică, București, 1957-1966 Bunget, I., Burlacu, L., Ciobotaru, D.: Compendiu de fizică, Editura Științifică și Enciclopedică, București, 1988 Zoltán Gábos, Oliviu Gherman: Termodinamica și fizica statistică, Editura Didactică și Pedagogică, 1964, 1967 George C. Moisil: Termodinamica, Editura Academiei RSR, București, 1988, I.G. Murgulescu, R. Vîlcu: Introducere în chimia fizică vol. III Termodinamică chimică, Editura Academiei RSR, București, 1982 Stoian Petrescu, Valeria Petrescu: Principiile termodinamicii - Evoluție, fundamentări, aplicații, Editura Tehnică, București, 1983 Ion M. Popescu: Fizica - Termodinamica, Editura Politehnica Press, București, 2002 Șerban Țițeica: Termodinamica, Editura Academiei Republicii Socialiste România, București, 1982. V. Kirillin, V. Sîcev, A. Șeindlin: Termodinamica, Editura Științifică și Enciclopedică, 1985, (traducere din limba rusă) Rodica Vâlcu, Termodinamica chimică, Editura Tehnică, București, 1975, 1994 Dumitru Săndulescu, Chimie fizică - vol I, Editura Științifică și Enciclopedică, București, 1979
Vezi și Termodinamică Potențial termodinamic Potențial chimic Capacitate termică Termodinamică chimică Temperatură Sistem termodinamic Entropie Ecuație de stare
Categorie:Energie Categorie:Termodinamică Categorie:Chimie fizică Categorie:Proprietăți termodinamice