طاقة داخلية

وفيها نرى بوضوح كمية الحرارة الداخلة

• المراجع
• انظر كذلك
• طاقة كامنة
• حرارة تفاعل
• طاقة
• طاقة نووية

علاوةً على ذلك، وهي تبين لنا مدى كفاءة شغل العملية الدورية الناتجة بالمقارنة بكمية الحرارة التي نزود بها النظام، (ونزودها إلى النظام باستخدام وقود ندفع ثمنه). اما الحرارة التي يفقدها النظام فهو يعطيها إلى الوسط المحيط (الهواء مثلا) كعادم.

إلى النظام والحرارة الخارجة .

بذلك يمكن حساب كفاءة دورة حرارية لآلة:

الطاقة الداخلية في الديناميكا الحرارية

من جانب آخر، تهمنا الطاقة الداخلية لنظام في الترموديناميكا الحرارية لأنها تمكننا من حساب كفاءة عمل الآلات، مثل محرك الاحتراق الداخلي، آلة بخارية، محرك كهربائي، محرك نفاث، وغيرها.

من جهة ثانية، وحدة الطاقة الداخلية مثل وحدات الطاقة جميعا وهي الجول، وقد تستعمل وحدات أخرى لأسباب تاريخية (مثل السعر الصغير (Calorie) والسـُعر الكبير (KiloCalorie) أو للتناسب مع الحالة تحت الدراسة؛ فمثلا يستعمل الفيزيائيون وحدة الإلكترون فولت (eV) أو (keV) أو (MeV) عند تعاملهم مع الذرة والجسيمات الأولية تحت الذرية، وهي وحدات طاقة أصغر كثير جدا من السعرة الحرارية.

كذلك، تعرف الطاقة الداخلية U لنظام في الديناميكا الحرارية بأنها إحدى خصائص النظام - والتغير في الطاقة الداخلية ΔU يساوي مجموع الحرارة Q التي يكتسبها النظام والشغل W الذي يؤديه النظام (يمكن تخيل أن لدينا غاز محصور في مكبس، فعندما نمده بحرارة من الخارج يتمدد الغاز فيه، ويدفع المكبس ويؤدي حركة (شغل)، أي ننتج طاقة حركة من طاقة حرارية).

من جهة ثانية، تقول تلك المعادلة أن الطاقة الداخلية لنظام تزيد عند إمداده بحرارة أو عند زيادة الضغط عليه حيث أن الطاقة المسلطة عليه من الخارج تختزن فيه (إلى حين تسريبها وأداء شغل).

نكتب على اليمين في المعادلة

علاوةً على ذلك، بدلا من لأن كلا من Q و W عبارة عن دالة عملية وليسا دالة حالة كما هو الحال بالنسبة إلى الطاقة الداخلية U التي هي دالة حالة، وتتسم بخاصية التفاضل الكامل:

أي أن:

• وعندما يكون هناك تغير في كمية النظام يصبح لدينا تفاضل كامل:
• حيث:
• درجة الحرارة المطلقة T,

وبافتراض عملية دورية مع وضع نحصل على:

ومن ناحية أخرى، مع مراعاة أن الطاقات المعلمة 1 هي طاقة تـُمد إلى النظام (موجبة الإشارة) والطاقات الخارجة 2 من النظام (المفقودة مع العادم) نعلمها بإشارة سالبة،(انظر أسفله «موازنة الطاقة في عملية دورية».)

ثابت الغاز المثالي

إذا أدى النظام شغل تكون كذلك موجبة الإشارة،

إذا اكتسب النظام حرارة من الخارج تكون موجبة الإشارة،

اصطلاحات:

,

وفي السياق ذاته، حيث هو احتمال وجود حالة الطاقة ذات المقدار Ei في النظام، و i هو عدد الحالات.

وفي هذا الصدد، تلك المعادلة هي التعبير الإحصائي ل القانون الأول للديناميكا الحرارية.

الإنتروبية S,

V حجم النظام.

N كمية الجزيئات أو عدد الجزيئات،

علاوةً على ذلك، أخذنا في اعتبارنا حتى الآن وجود نوع واحد من المادة في النظام . فإذا كان النظام يحتوي على عدة مواد، فنستطيع صياغة المعادلة لتلك الحالة العامة على النحو التالي:

حيث:

أو باعتبار عدد مولات الغاز المثالي في النظام

الضغط p ،

• بالتعويض عن ذلك نحصل على:
• حيث:
• : عدد الجزيئات من النوع .
• وتسمى تلك المعادلة «معادلة متجانسة من الدرجة الأولى».

إضافةً إلى ذلك، وبافتراض أن النظام عبارة عن غاز مثالي له 3 درجات حرية ويحتوي على العدد من الجزيئات، نحصل على:

كذلك، الطاقة الداخلية والمتغيرات المتعلقة بها: الإنتروبيا , والحجم وعدد الجزيئات , كلهم دوال للحالة. وتتغير الطاقة الداخلية تناسبيا مع تغير دالتي الحالة S و V. ونرمز لثابت التناسب بالحرف .

علاوةً على ذلك، وبتطبيق نظرية أويلر على القانون الأول للديكاميكا الحرارية نحصل على معادلة أويلر للطاقة الداخلية:

إضافةً إلى ذلك، في الكيمياء في حالة غاز مثالي ينطبق التوزيع المتساوي للطاقة الداخلية على جميع درجات الحرية للجزيئات ونصيب كل منها يبلغ

.

ثابت بولتزمان،

• الكمون الكيميائي .
• أي تنطبق المعادلة:
• على كل مسيرة مغلقة ل ، بصرف النظر عن كيفية اختيار دوال الحالة
• و و ، وهم كما نعلم لهم خاصية التفاضل الكامل.

الميكانيكا الإحصائية

وفي السياق ذاته، الحالات الصغرية، وكل منها يتسم بمعامل يعبر عن احتمال وجود كل حالة صغرية في النظام ككل:

ومن جهة أخرى، تدرس الميكانيكا الإحصائية نظاما عن أساس أن جزيئاته موزعة عشوائيا على عدد N من الحالات الصغرية microstates (حالات حركة انتقالية وحركة اهتزازية)، وكل منها ذو طاقة معينة Ei ، وكل حالة تكون مقترنة بدرجة من احتمال وجودها pi. وتكون الطاقة الداخلية هي متوسط قيم الطاقة الكلية للنظام، أي مجموع طاقات

ينتج من ذلك أن الطاقة الداخلية تزداد

من جانب آخر، كلما زادت أو أو زادت كلتاهما. وبالعكس، تقل الطاقة الداخلية بانخفاض [كمية حرارة] النظام أو بتقليل الشغل.

أنواع الطاقة الداخلية

إضافةً إلى ذلك، الطاقة الداخلية هي مجموع الطاقات التي تحتويها جزيئات أي نظام، وهي ترجع إلى التركيب الجزيئي للمواد ودرجة نشاط تلك المادة. ويمكن اعتبارها مجموع الطاقة الحركية وطاقة الوضع للجزيئات، وتتكون من الأنواع الآتية من الطاقة:

U هي مجموع الطاقات

إضافةً إلى ذلك، وتظهر طاقة الحركة لنظام كمجموع حركات الجسيمات المكونة للنظام، سواء كانت حركة الذرات أو أنوية الذرات، أو حركة الجزيئات أو الإلكترونات. وطاقة الوضع تعين من جميع الطاقات المتعلقة بكتلة الجسيمات المكونة للنظام، وكذلك التركيب الكيميائي مثل الطاقة الكيميائية المخزونة في روابط الذرات وهي التي تستطيع أن تقوم بالتفاعلات الكيميائية، وكذلك طاقة الوضع النووية المختزنة في تشكيلات البروتونات والنيوترونات وجسيمات أولية أخرى تكمن في انوية الذرات. كذلك ينتمي إلى الطاقة الداخلية مجالات القوى داخل النظام، مثل مجال التأثير الكهربائي والمجال المغناطيسي، وكذلك طاقة الاعوجاج والتهشم في المواد الصلبة والإجهاد وقوي الشد الكامنة فيه.

Ei الذاتية التي تخص نظام ترموديناميكي:

في هذا الإطار، ونقتصر على خواص النظام المعتمدة على حجم النظام، و كمية المادة به والضغط ودرجة الحرارة.

كذلك، وعند دراسة الديناميكا الحرارية يندر أن نأخذ جميع الطاقات الذاتية لنظام مثل العينة التي نفحصها فلا نأخذ الطاقة المكافئة للكتلة. تلك الخاصية أتت بها النظرية النسبية ويجب تطبيقها في الفيزياء؛ أما بالنسبة للتفاعلات الكيميائية فتقوم بها الإلكترونات التي تحوم حول أنوية الذرات، ولا تتدخل الطاقة الكامنة في أنوية الذرات في تفاعل كيميائي. تفاعلات أنوية الذرات مع بعضها البعض تدخل في مجال الفيزياء وتتم تحت ظروف خاصة.

في هذا الإطار، ولا تحتوي الطاقة الداخلية على طاقة الحركة للنظام بأسره، فإذا كان النظام كرة بلياردو مثلا وكانت الكرة تتحرك فإن طاقة الحركة هذه تعتبر طاقة خارجية للكرة. والطاقة الداخلية لا تحوي كذلك أي من طاقة وضع أو طاقة حركة قد يمتلكها الجسم بسبب موقعه في مجال خارجي، مثل الجاذبية (السقوط من على جبل) أو مجال كهربائي استاتيكي أو مجال قوي كهرومغناطيسية تؤثر على النظام.

من جانب آخر، وهي تقسم إلى جزئين أحدهما طاقة الوضع (Upot) وطاقة الحركة(Ukin):

من جانب آخر، وعندما نقوم بدراسة نظام ترموديناميكي (ديناميكا حرارية) فمن الصعب حساب جميع أنواع الطاقات الداخلية.

توازن الطاقة في العملية الدورية

علاوةً على ذلك، وكما سوف نعرفه من القانون الثاني للديناميكا الحرارية لا يمكن تحويل كل الحرارة التي يستمدها النظام إلى شغل بأكملها، وإنما تـُفقد جزء من الحرارة الداخلة وتخرج مع العادم.

في هذا الإطار، ونظرا لعودة وسيط العمل (الغاز أو البخار) خلال العملية الدورية إلى وضعها الأول فهذا يسهل لنا حساب موازنة الطاقة لعدم حدوث تغيرات في دوال الحالة للنظام، وتبقى فقط دالتي الحرارة والشغل.

حيث W الشغل و الفرق بين حرارة الإمداد وحرارة العادم.

كذلك، ويشمل التكامل الدائري هنا مجموع كميات الحرارة المتدفقة. ويرمز للحرارة التي تدخل النظام بإشارة موجبة، ويرمز للحرارة الخارجة بإشارة سالبة. وتشكل كمية «الشغل» التي أداها النظام خلال الدورة. وهو يكون سالب الإشارة عندما ينتج خلال الدورة.

أي أن معادلة موازنة الطاقة يمن كتابتها كالآتي:

كذلك، كما هو مبين في الشكل، يـُمد وسيط العمل بالحرارة من أعلى (أحمر)، وينتج عنه تشغيل التوربين وأداء شغل وكذلك باقي حرارة (أسفل بالأزرق)، ثم يعود وسط العمل للتسخين من ثانيا وبذلك تبدأ العملية من جديد.

تغير الطاقة الداخلية خلال عملية ترموديناميكية

في هذا الإطار، يصف القانون الأول للديناميكا الحرارية تغير الطاقة الداخلية لنظام بأنها مجموع الحرارة الداخلة إلى النظام + وما يقوم به من شغل، مع اعتبار أن النظام مغلق (معزول):

,

وتسمى تلك المعادلة أحيانا معادلة التحول الحراري.

الطاقة الداخلية عند الصفر المطلق

وفي هذا السياق، عند درجة حرارة أعلى من درجة الصفر المطلق تتفاعل في النظام طاقة الحركة وطاقة الوضع مع بعضها البعض ولكن مجموعهما يكون ثابتا في نظام مغلق معزول. وطبقا لنظرية الحركة الحرارية الكلاسيكية فكانت تعتبر أن النظام يفقد طاقة الحركة عند درجة الصفر المطلق وتبقى طاقة الوضع. ولكن ميكانيكا الكم بينت فيما بعد (عام 1923) أن النظام يكون له ما يسمى «طاقة نقطة الصفر» كطاقة حركة عند درجة الصفر المطلق. ويوجد نظام عند درجة الصفر المطلق في حالته القاعية للطاقة طبقا لميكينيكا الكم وهي أقل مستوى طاقة يمكن أن يتخذها النظام. ونقول أن عند درجة الصفر المطلق يصل النظام إلى أقل إنتروبيا له.

من جهة ثانية، وطاقة حركة الجزيئات التي تشكل جزءا من الطاقة الداخلية لنظام ترموديناميكي (في غاز أو سائل أو مادة صلبة) هي التي تؤدي ظهور حرارته. وتبين الميكانيكا الإحصائية أن حركة الجزيئات العشوائية في النظام تشترك وتشكل متوسط طاقة الحركة لجميع الجزيئات المتكون منها النظام. كما تبين الميكانيكا الإحصاية كذلك أن متوسط طاقة الحركة للجسيمات هي التي تظهر الخواص المشاهدة للنظام كما نعهده من الخارج ومن ضمنها درجة حرارته. وتسمى تلك الطاقة عادة الطاقة الحرارية للنظام، وهي التي تجعلنا نفرق بين الجسم البارد والجسم الساخن.