الطاقة الداخلية

يطلق على مجموع جميع أنواع الطاقة الممكنة الموجودة في مادة ما اسم الطاقة الداخلية (U)، التي يتم ترميزها في بعض الأحيان كـ E. افترض أن النظام ذي الطاقة الداخلية الأوليةU_أولي، يخضع لتغيير في الطاقة (نقل للعمل أو للحرارة)، والطاقة الداخلية النهائية للنظام هي U_نهائي. التغير في الطاقة الداخلية يساوي الفرق بين U_final و U_initial. 

بالرغم من أن قيم U_نهائي و U_أولي لا يمكن تحديدها لنظام ما، فإن القانون الأول الديناميكا الحرارية لا يتطلب سوى قيمة &دلتا;U، والتي يمكن تحديدها حتى بدون معرفة قيم U_نهائي و U_أولي. قيمة موجبة لـ &دلتا;U تنتج عندما U_نهائي > U_أولي ، وتشير إلى أن النظام قد اكتسب طاقة من البيئة المحيطة. يتم الحصول على قيمة سالبة لـ &دلتا;U عندما U_نهائي < U_أولي ، وهي تشير إلى أن النظام قد فقد الطاقة من البيئة المحيطة.

الحرارة (الطاقة الحرارية) والعمل (الطاقة الميكانيكية) هما طريقتان مختلفتان يمكن للنظام تبادل الطاقة مع محيطه. يتم نقل الطاقة إلى نظام عندما يمتص الحرارة (q) من البيئة المحيطة أو عندما تعمل البيئة المحيطة (w) على النظام. 

على سبيل المثال، يتم نقل الطاقة إلى سلك معدني بدرجة حرارة الغرفة إذا تم غمره في الماء الساخن (يمتص السلك الحرارة من الماء)، أو عندما يتم ثني السلك سريعاً للخلف وللأمام (يصبح السلك أكثر دفئاً بسبب العمل عليه). تعمل كلتا العمليتين على زيادة الطاقة الداخلية للسلك، وهو ما ينعكس في زيادة درجة حرارة السلك. على العكس من ذلك، يتم نقل الطاقة من النظام عند فقدان الحرارة من النظام أو عندما يعمل النظام في المناطق المحيطة. على سبيل المثال، يؤدي حرق وقود الصواريخ إلى إطلاق كمية هائلة من الحرارة وأيضاً يؤدي العمل على المناطق المحيطة من خلال تطبيق قوة على مسافة (مما يتسبب في انطلاق مكوك فضائي من الأرض). كلتا العمليتين تقلل الطاقة الداخلية للنظام.

يمكن تمثيل العلاقة بين الطاقة الداخلية والحرارة والشغل بالمعادلة:

هذه نسخة واحدة من القانون الأول للديناميكا الحرارية ، وهي توضح أن الطاقة الداخلية للنظام تتغير من خلال تدفق الحرارة داخل أو خارج النظام أو يتم العمل على النظام أو بواسطته. تعتمد علامات الحرارة والعمل على ما إذا كان النظام يكتسب أو يفقد الطاقة. يشير q الإيجابي إلى تدفق الحرارة إلى النظام من المناطق المحيطة، بينما يشير q السالب إلى تدفق الحرارة خارج النظام. يكون العمل، w ، موجباً إذا تم على النظام وسالب إذا تم بواسطة النظام.

عندما تكون كل من q و w موجبة (>0)، تكون &دلتا;U موجبة دائماً (>0)، و تزداد الطاقة الداخلية للنظام. عندما يكون كل من q و w سالبين (<0)) ، تكون &دلتا;U سالبة دائماً (<0)) ، والطاقة الداخلية للنظام تنقص. إذا كان لكل من q و w اصطلاحات إشارات مختلفة ، فإن علامة &دلتا;U تعتمد على المقادير النسبية لـ q و w.    

وحدة النظام الدولي للطاقة والحرارة والشغل هي الجول (J).

هذا النص مقتبس من OpenStax Chemistry 2e, Section 5.3: Enthalpy.