Energiainterno è la somma di energie cinetiche e potenziale correlato al movimento degli atomi e delle molecole costituenti un corpo. L'energia interna è anche direttamente proporzionale alla temperatura del corpo. È una quantità scalare misurata in Joule (SI) e determinata in funzione di variabili come pressione (P), volume (V) e temperatura termodinamica (T) di un sistema, in Kelvin (K).
Maggiore è la temperatura di un corpo, maggiore è la sua energia interna, quindi maggiore è la sua capacità di svolgere un certo lavoro. Inoltre, l'energia interna dei gas monoatomici, ad esempio, è data esclusivamente dalla somma dei energia cinetica di ogni atomo del gas. Quando si tratta di gas molecolari, come i gas biatomici, si devono tenere in considerazione le interazioni molecolari e, per questo, l'energia interna è determinata dalla somma dell'energia cinetica delle molecole con l'energia potenziale esistente tra essi.
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Energia interna dei gas ideali monoatomici
Non essendoci interazione tra gli atomi di un gas ideale monoatomico, la sua energia interna dipende esclusivamente da due variabili: il numero di moli (n) e la temperatura del gas (T). Orologio:
tu - Energia interna
no – numero di moli
R – costante universale dei gas perfetti
T - temperatura
Nell'equazione sopra, R ha un modulo di 0,082 atm. l/mol. K o 8,31 J/mol. K (SI). Inoltre, possiamo scrivere l'equazione di cui sopra in termini di altre quantità, come pressione e volume. Per questo, dobbiamo ricordare il Equazione di Clapeyron, utilizzato per i gas ideali.
Sostituendo la precedente equazione con la precedente, avremo la seguente espressione per il calcolo dell'energia interna:
Guardaanche:Cos'è un gas perfetto?
Tenendo conto delle precedenti equazioni, è possibile determinare una relazione tra l'energia cinetica degli atomi di un gas monoatomico ideale e la sua temperatura. Per questo, diremo che l'energia cinetica di questo tipo di gas è puramentecinetica. Orologio:
m - pasta
no – numero di talpe
M - massa molare
In molte situazioni è interessante sapere come calcolare la variazione dell'energia interna (ΔU) di un gas, in quanto tale grandezza indica se il gas ha ricevuto o ha ceduto energia. Se la variazione dell'energia interna del gas è stata positiva (ΔU > 0), il gas avrà ricevuto energia; in caso contrario (ΔU< 0), il gas avrà ceduto parte della sua energia.
Variazione dell'energia interna in termini di variazione del volume del gas.
Energia interna per gas biatomici
Per i gas biatomici ideali, l'energia interna è data da un'equazione leggermente diversa.
Energia interna nelle trasformazioni e nei cicli termodinamici
Secondo il 1° Legge della Termodinamica, l'energia interna di un gas ideale può variare in certi trasformazioni termodinamiche, a seconda della quantità di calore scambiata tra l'ambiente e l'impianto, nonché del lavoro svolto dal o sull'impianto.
Q – calore
τ - lavoro
Successivamente, diamo un'occhiata alla forma che questa legge assume per alcune particolari trasformazioni termodinamiche.
Guardaanche:Storia delle macchine termiche
→ Energia interna: trasformazione isotermica
A trasformazione isotermica, non c'è variazione di temperatura e quindi l'energia interna rimane costante.
In questo caso l'intera quantità di calore che viene scambiata con l'impianto viene trasformata in lavoro e viceversa.
→ Energia interna: trasformazione isovolumetrica
A trasformazione isovolumetrica, non è possibile eseguire lavori, in quanto il sistema è confinato in un contenitore rigido e non espandibile. In questo caso, l'intera quantità di calore che viene scambiata con il sistema varia direttamente la sua energia interna.
→ Energia interna: trasformazione isobarica
In questo tipo di trasformazione, il sistema è sottoposto ad a pressione costante, quindi, il lavoro svolto da lui o su di lui può essere calcolato analiticamente.
→ Energia interna: trasformazione adiabatica
Nel trasformazioni adiabatiche, non vi sono scambi termici tra l'impianto e l'ambiente circostante, pertanto la variazione dell'energia interna dipende esclusivamente dal lavoro svolto dall'impianto o dall'impianto.
Energia interna nei processi ciclici
In ogni processo ciclico, lo stato termodinamico di un sistema, rappresentato dalle sue variabili di pressione, volume e temperatura (P, V, T), è trasformato, ma finisce per tornare allo stato originario (P, V, T), quindi la variazione di energia interna in questo tipo di processo è sempre nulla (ΔU = 0).
Guardaanche:trasformazioni cicliche
Guarda il grafico sottostante, che mostra tre distinte trasformazioni termodinamiche tra gli stati A e B.
Poiché le tre trasformazioni (I, II e III) lasciano lo stato A e passano allo stato B, la variazione di energia interna deve essere uguale per tutte, quindi:
Esercizi energetici interni
1) Due moli di un gas biatomico ideale, con massa molare pari a 24 g/mol, si trovano alla temperatura di 500 K all'interno di un contenitore rigido chiuso di volume pari a 10-3 m³. Determinare:
a) Il modulo dell'energia interna di questo gas in joule.
b) La pressione che il gas esercita sulle pareti del contenitore.
Risoluzione:
Il) Poiché è un gas ideale e biatomico, utilizzeremo la formula seguente per calcolare la sua energia interna:
Prendendo i dati che sono stati informati nella dichiarazione di esercizio, avremo il seguente calcolo da risolvere:
B) Possiamo determinare la pressione che esercita il gas una volta conosciuto il volume del suo contenitore: 10-3 m³. Per farlo utilizzeremo la seguente formula:
Di Me. Rafael Helerbrock
