Chapter 6: Thermochemistry

Back to chapter

6.3:

Interne Energie

JoVE Core
Química

This content is Free Access.

JoVE Core Química

Internal Energy

Vídeo Anterior
6.2: First Law of Thermodynamics

Próximo Vídeo
6.4: Quantifying Heat

Idiomas

COMPARTILHAR

English العربية 中文 Nederlands français Deutsch עברית italiano 日本語 한국어 português русский español Türkçe

In een chemisch proces wordt het verschil tussen de interne energieën van reactanten en producten, weergegeven door ΔU, gebruikt om te bepalen of het systeem energie heeft gewonnen of verloren tijdens de reactie. Als ΔU groter is dan nul, was de uiteindelijke inwendige energie hoger dan de initiële inwendige energie en won het systeem energie tijdens de reactie. Als ΔU kleiner is dan nul, is de uiteindelijke innwendige energie lager dan de initiële inwendige energie, wat betekent dat het systeem energie heeft verloren.Volgens de eerste wet van de thermodynamica moet elke verandering in de energie van een systeem worden gecompenseerd door een gelijke en tegengestelde verandering in zijn omgeving. De verandering in de inwendige energie van een systeem is dus gelijk aan de energie die wordt overgedragen als warmte, gesymboliseerd door q”plus de energie die wordt overgedragen als arbeid, gesymboliseerd door w”tijdens het proces. In de scheikunde hangen de signalen voor warmte en arbeid af van het feit of het systeem energie wint of verliest.Denk aan de omzetting van kooldioxide in elementaire koolstof en zuurstof. De reactant heeft een lagere inwendige energie dan de producten, wat betekent dat ΔU positief is. Energie wordt overgedragen van de omgeving naar het systeem waardoor de inwendige energie toeneemt.Als alternatief wordt tijdens de reactie tussen zwavel en zuurstofgas om zwaveldioxide te maken, energie overgedragen naar de omgeving. Hier hebben de producten een lagere inwendige energie dan de reactanten, en ΔU is negatief. Daarom hangt ΔU alleen af van de initiële en uiteindelijke inwendige energietoestanden van het systeem en de omvang van warmte en arbeid die wordt uitgewisseld met de omgeving.

6.3:

Interne Energie

The total of all possible kinds of energy present in a substance is called the internal energy (U), sometimes symbolized as E. Suppose a system with initial internal energy, U_initial, undergoes a change in energy (transfer of work or heat), and the final internal energy of the system is U_final. Change in internal energy equals the difference between U_final and U_initial.

Although the values for U_final and U_initial cannot be determined for a system, the first law of thermodynamics only requires the value of ΔU, which can be determined even without knowing the values of U_finaland U_initial. A positive value of ΔU results when U_final > U_initial, and indicates that the system has gained energy from the surroundings. A negative value of ΔU is obtained when U_final < U_initial, and indicates that the system has lost energy to the surroundings.

Heat (thermal energy) and work (mechanical energy) are the two different ways a system can exchange energy with its surroundings. Energy is transferred into a system when it absorbs heat (q) from the surroundings or when the surroundings do work (w) on the system.

For example, energy is transferred into room-temperature metal wire if it is immersed in hot water (the wire absorbs heat from the water), or when the wire is rapidly bent back and forth (the wire becomes warmer because of the work done on it). Both processes increase the internal energy of the wire, which is reflected in an increase in the wire’s temperature. Conversely, energy is transferred out of a system when heat is lost from the system or when the system does work on the surroundings. For example, the burning of rocket fuel releases a tremendous amount of heat and also performs work on the surroundings by applying a force over a distance (causing a space shuttle to lift off from the ground). Both processes decrease the internal energy of the system.

The relationship between internal energy, heat, and work can be represented by the equation:

This is one version of the first law of thermodynamics, and it shows that the internal energy of a system changes through heat flow into or out of the system or work is done on or by the system. The signs for heat and work depend on whether the system gains or loses energy. Positive q is heat flow into the system from the surrounding, while negative q is heat flow out of the system. The work, w, is positive if it is done on the system and negative if it is done by the system.

When q and w are both positive (>0), ΔU is always positive (>0), and the internal energy of the system increases. When q and w are both negative (<0), ΔU is always negative (<0), and the internal energy of the system decreases. If q and w have different sign conventions, then the sign of ΔU depends on the relative magnitudes of q and w.

The SI unit of energy, heat, and work is the joule (J).

This text is adapted from OpenStax Chemistry 2e, Section 5.3: Enthalpy.

Tags

Internal Energy Chemical Process Reactants Products ΔU Gained Energy Lost Energy First Law Of Thermodynamics Surroundings Heat Transfer Work Transfer Carbon Dioxide Elemental Carbon Oxygen Sulfur Sulfur Dioxide