3.2. Внутренняя энергия

Из разных форм энергии для характеристики химических процессов особенно важна та энергия, которая в скрытой форме заключена в каждом теле и имеет своей причиной движение молекул, атомов и составных частей. Эта энергия называется внутренней энергией.

При проведении реакции изменяется внутренняя энергия системы U. Это изменение проявляется в том, что при реакции выделяется или поглощается теплота и может производиться работа. Например, за счет реакции, протекающей в батарейке, можно получить теплоту – если просто закоротить контакты, свет – если к ним присоединить лампочку, или работу – если присоединить электромоторчик.

Внутренняя энергия включает в себя все виды энергии системы (энергию движения и взаимодействия молекул, атомов, ядер и др. частиц, внутриядерную и другие виды энергии), кроме кинетической энергии движения системы, как целого, и потенциальной энергии ее положения.

Количество внутренней энергии зависит от массы, природы вещества и его состояния, т.е. от внешних условий, при которых находится это тело. Основную роль при этом играет объем тела V, давление, к которому оно подвержено p и его температура T. Эти три переменных параметра изменяются в большей или меньшей степени при любом физико-химическом процессе.

Внутренняя энергия представляет собой способность системы к совершению работы или передаче теплоты.

Измерить внутреннюю энергию невозможно, однако можно определить её изменение U при переходе из одного состояния в другое ΔU = U₂ – U₁,

где U₁ – внутренняя энергия системы в начальном состоянии, U₂ – внутренняя энергия системы в конечном состоянии.

В приложении к химической реакции ΔU – изменение внутренней энергии системы в результате превращения определенного числа молей исходных веществ в определенное число молей продуктов реакции. Например, при превращении моля кристаллов NH₄C1, которые имеют внутреннюю энергию U₁ в два моля смеси газов NH₃ + HCl, имеющих внутреннюю энергию U₂, изменение внутренней энергии системы в результате реакции будет равно разности между энергиями конечного и начального состояний: ΔU = U₂ – U₁.

Если внутренняя энергия в системе возрастает, то U имеет положительное значение (U>0), если уменьшается, то U имеет отрицательное значение (U<0).

Изменение внутренней энергии можно измерить с помощью работы и теплоты, так как система может обмениваться с окружающей средой веществом или энергией в форме теплоты Q и работы А.

Теплота представляет собой количественную меру хаотического движения частиц данной системы или тела. Энергия более нагретого тела в форме теплоты передается менее нагретому телу. При этом не происходит переноса вещества от одной системы к другой или от одного тела к другому.

Работа А является количественной мерой направленного движения частиц, мерой энергии, передаваемой от одной системы к другой за счет перемещения вещества от одной системы к другой под действием тех или иных сил, например гравитационных. Теплота и работа измеряются в джоулях (Дж) или килоджоулях (кДж).

Количественное соотношение между изменением внутренней энергии и работой устанавливает первый закон термодинамики, который утверждает что: ΔU = Q – А, т. е. изменение внутренней энергии системы равно разности между количеством теплоты, полученной системой из среды, и количеством работы, произведенной системой над средой.

Первый закон термодинамики является формой выражения закона сохранения энергии. Согласно этому закону, энергия не может ни создаваться, ни исчезать, но может превращаться из одной формы в другую.