II.2. Relația dintre variația energiei interne, căldura de reacție și lucrul mecanic.

Energia particulelor unui sistem este dată de:

- Energia externă, care este suma energiei cinetice a sistemului ca întreg și energiei potențiale a acestuia aflat într-un câmp de forțe.

- Energia internă (U), care este suma dintre energiile cinetice ale moleculelor (E_c) și energiile potențiale de interacțiune dintre moleculele sistemului (E_p).

U = E_c + E_p

Variația energiei interne (ΔU = U₂ – U₁) este o mărime fizică de stare și nu depinde de stările intermediare prin care trece sistemul, ci numai de starea inițială (U₁) și cea finală (U₂).

Ecuația de stare termică ne spune că energia internă a sistemului depinde numai de temperatura sistemului (T) și, implicit, numai de energia cinetică a particulelor:

U = U(T)

🔦 Observație

Energia internă include toate formele de energie nemăsurabile sau greu măsurabile implicate la formarea particulelor din nucleu, a nucleului însuși, a straturilor electronice etc. Ea mai include și unele tipuri de energii măsurabile ca energiile de legătură, energiile cinetice etc.

Experimental s-a constatat că lucrul mecanic și căldura sunt singurele forme de transfer de energie între un sistem și mediul exterior.

Principiul întâi al termodinamicii arată cum variază energia internă a unui sistem ce interacționează mecanic sau termic cu mediul exterior și reprezintă expresia matematică a conservării și transformării energiei.

Enunțul principiul întâi al termodinamicii:

Variația energiei interne a unui sistem într-un proces oarecare este:
ΔU = Q + L

Dacă ΔU < 0 → U_final < U_inițial și sistemul cedează energie în mediul exterior.

Dacă ΔU > 0 → U_final > U_inițial și sistemul primește energie din mediul exterior.

Căldura (Q) este fie absorbită, fie degajată în cursul celor mai multe reacții chimice.

De exemplu, dacă sistemul absoarbe 40 J sub formă de căldură și efectuează un lucru mecanic de 15 J, atunci variația energiei interne a sistemului este:

ΔU = Q + L = 40 J – 15 J = 25 J (se ține cont de convențiile de semne ale lucrului mecanic și ale căldurii).