内部エネルギーには、分子の運動エネルギーと、分子間のすべての化学結合に蓄えられたエネルギーが含まれます。エネルギーの移動と変換は、熱、仕事、および内部エネルギーの相互作用によりシステムが変更されるたびに発生します。ただし、これらの転送中に、正味のエネルギーが作成または失われることはありません。
仕事とは、力に逆らって何かを動かすのに必要なエネルギーの量です。
システムのエネルギーは、仕事や、熱などの他の形態のエネルギー伝達によって変化する可能性があります。
気体は次の式に従って膨張または圧縮することで機能します:
仕事 =−PΔV
ジュールは、内部エネルギー測定の単位 (J) です。
U は内部エネルギーを表すために使用されます。
ΔU =Q+W (Q → 熱 , W → 仕事)
ΔU =Q + ( −PΔV)
熱力学の第一法則
エネルギー保存則は、熱と仕事がエネルギーを伝達する方法である熱平衡状態にあるシステムについて述べられている熱力学の第 1 法則です。正味の熱伝達 (Q) は、システムに出入りするすべての熱伝達の合計です。システムへの正味の熱伝達の場合、Q は正です。 W は、システム上およびシステムによって実行される作業の総量を示します。システムがそれ自体よりも多くの作業を行う場合、W は正です。熱力学の第一法則 ΔU =Q+W は、系の内部エネルギー U の変化を熱と仕事に関連付けます。
システムの内部エネルギーは、周囲に作用すると減少します。システムで作業が行われると、システムの内部エネルギーが増加します。熱などの仕事によるエネルギー変化は、常にプロセスの一部として発生します。システムは仕事をすることはできますが、それを抑えることはできません。
気体は、一定の外圧に対して膨張または圧縮して仕事を行うことができます。気体の仕事は、圧力-体積 (または PV) 仕事とも呼ばれます。
たとえば、ガスが加熱されると、ガス分子にエネルギーが加わります。ガスの温度がどのように上昇するかを観察することによって、分子の平均運動エネルギーがどのように増加するかを見ることができます.ガス分子がより速く動くにつれて、それらはより頻繁にピストンと衝突します.これらのますます頻繁になる衝突は、エネルギーをピストンに伝達し、ピストンを外力に逆らって動かします。これにより、ガスの全体的な体積が増加します。
内部エネルギーサイン:
<オール>一定量の環境で作業する（Isochoric Process）
等容性プロセスは、一定のボリュームで発生します。反応またはプロセスは、爆弾熱量計などの密閉された密閉容器内で発生することがあります。 ΔV=0 であるため、体積が変化しない場合、気体は仕事をすることができません。これらの場合、仕事 =0 であり、システムのエネルギーは、熱などの他の手段によって変更する必要があります。たとえば、空気しか入っていない密閉されたブリキの容器は、火の中に投げ込まれる可能性があります。大まかに言えば、温度と圧力の上昇によって証明されるように、ガスは容器を膨張させる代わりに内部エネルギーを獲得します。
数学的には、ΔQ=ΔU.
一定圧力環境での作業 (等圧プロセス)
等圧プロセスは、一定の圧力で発生します。圧力が一定なので、加えられる力は一定であり、なされた仕事は PΔV として与えられます。たとえば、シリンダー内の可動ピストンは、シリンダーが大気から隔離されているにもかかわらず、シリンダー内の圧力が常に大気圧であることを保証します。言い換えれば、システムは可動境界を介して定圧リザーバーに動的に接続されます。ガスが一定の圧力で膨張する場合、熱は所定の速度でシステムに供給されなければなりません。
理想気体の内部エネルギー:
理想気体の概念は、熱力学で教育ツールとして、また作業システムの大まかな近似として頻繁に使用されます。理想気体は、弾性衝突によってのみ相互作用し、直径よりもはるかに大きい衝突間の平均自由行程でボリュームを満たす点オブジェクトの気体です。単原子ガス、ヘリウム、およびその他の希ガスは、このようなシステムで近似されます。この場合、個々の原子の並進エネルギーのみが運動エネルギーを構成します。単原子粒子は、回転も振動もしないため、電子的により高いエネルギーに拡張することはできません。高温になるまで。
その結果、運動エネルギーの変化は、理想気体の内部エネルギーの変化を説明する唯一の方法です。運動エネルギーは完全気体の内部エネルギーであり、圧力、体積、および熱力学的温度によって完全に決定されます。
理想気体の内部エネルギーは U =cnT です。
結論
熱力学の第一法則によれば、熱と仕事の変化により内部エネルギーに変化があります。仕事のみを伴うプロセスの結果としてシステムが状態を変更する場合、仕事は内部エネルギーの変化に等しくなります。システムの状態変化が熱と仕事の両方で構成される場合、内部エネルギーの変化は、法則に従って、システムに供給される熱からシステムが行った仕事を差し引いたものに等しくなります。
