Principi fondamentali dell'energia interna e della termodinamica

Che cosa sono i concetti di energia interna?

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.

Legge di conservazione dell'energia

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.

Proprietà dell'energia interna

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