Concetti Chiave
- L'energia interna di un sistema comprende energia cinetica, legami chimici e energia elettronica, ed è l'unica forma di energia presente nel sistema.
- Calore e lavoro sono mezzi attraverso cui l'energia viene scambiata tra sistema e ambiente, esistendo solo durante i cambiamenti del sistema.
- La prima legge della termodinamica afferma che l'energia totale di un sistema isolato è costante, traducendosi in ΔU = q + w.
- Il segno di q e w dipende dal processo: energia entrante è positiva, uscente è negativa; l'energia interna varia con l'entrata o uscita di calore/lavoro.
- L'energia interna è una proprietà estensiva e funzione di stato, mentre calore e lavoro non lo sono, dipendendo dal percorso del processo.
Termochimica: la prima legge della termodinamica
L’energia interna di un sistema, indicata con U o E, è l’energia totale del sistema, ovvero comprende l’energia cinetica traslazionale, l’energia legata ai legami chimici e alle interazioni intermolecolari e l’energia degli elettroni negli atomi. Un sistema contiene solo energia interna, non contiene energia sotto forma di calore e lavoro. Calore e lavoro sono solo i mezzi attraverso i quali l’energia viene scambiata dal sistema all’intorno. È molto importante ricordare che calore e lavoro esistono solo durante un cambiamento che avviene nel sistema.
La relazione tra calore, lavoro, e variazione di energia interna ΔU, è data dalla legge di conservazione dell’energia, espressa come prima legge della termodinamica. La prima legge della termodinamica dice che l’energia totale di un sistema isolato è costante (quindi, in una trasformazione fisica o chimica, non c’è né creazione né distruzione di energia).
Quindi, secondo quanto detto in precedenza, si può dire che:
ΔU=q+w
Dove ΔU è l’energia interna del sistema, q è il calore assorbito/ceduto dal sistema, w è il lavoro prodotto o subito dal sistema. Il segno di q e w dipende dalla tipologia di processo.
Qualsiasi forma di energia che entri nel sistema ha segno positivo. Quindi se il sistema assorbe calore allora q>0, se si effettua lavoro sul sistema w>0;
Qualsiasi forma di energia che lasci il sistema ha segno negativo. Quindi se il sistema cede calore q In generale l’energia interna di un sistema varia in conseguenza dell’entrata o uscita di calore/lavoro. Se è più l’energia che entra di quella che esce, allora ΔU è positivo, mentre se è maggiore l’energia che esce di quella che entra ΔU è negativo;
Una conseguenza di ΔU_isolato=0 è che ΔU_sistema=-ΔU_intorno. Questo significa che l’energia si conserva.
Si possono quindi enunciare alcune proprietà dell’energia interna:
È una proprietà estensiva, in quanto dipende dalla quantità di materia;
È una funzione di stato, in quanto la variazione di energia interna è indipendente dal cammino seguito dal processo. È inoltre importante ricordare che non è possibile misurare un valore assoluto dell’energia interna, ma solamente una variazione di essa (ΔU);
In un sistema isolato ΔU=0, ovvero il sistema non scambia né calore né lavoro (un esempio è l’universo).
È importante ricordare che calore e lavoro non sono funzioni di stato. Il loro valore dipende dal percorso seguito quando un sistema subisce una variazione
Domande da interrogazione
- Qual è la relazione tra calore, lavoro e variazione di energia interna secondo la prima legge della termodinamica?
- Come si comporta l'energia interna in un sistema isolato?
- Quali sono le proprietà dell'energia interna di un sistema?
La relazione è espressa dalla formula ΔU=q+w, dove ΔU è la variazione di energia interna, q è il calore assorbito o ceduto, e w è il lavoro prodotto o subito dal sistema.
In un sistema isolato, ΔU=0, il che significa che il sistema non scambia né calore né lavoro con l'esterno, mantenendo costante l'energia totale.
L'energia interna è una proprietà estensiva, dipende dalla quantità di materia, ed è una funzione di stato, poiché la sua variazione è indipendente dal percorso seguito dal processo.
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