Unutrašnja energija

Unutrašnja energija nekog tela je zbir kinetičkih i potencijalnih energija svih molekula tela.

Kako je potencijalna energija molekula uzrokovana međumolekulskim silama, kod gasova (gde su međumolekulske sile zanemarljive) potencijalna energija molekula može se takođe zanemariti, te je unutrašnja energija gasova jednaka zbiru kinetičkih energija svih molekula gasa. Kako je srednja kinetička energija molekula gasa:

$$\overline{E_{k} } =\frac{3}{2}kT $$

za jednoatomni gas koji sadrži N molekula unutrašnja energija je:

$$U=N\cdot \bar{E_{k} } =N\cdot \frac{3}{2} kT$$

Očigledno je da unutrašnja energija zavisi od broja molekula gasa, odnosno od mase gasa (sa povećanjem broja molekula raste i masa gasa).

Temperatura,sa druge strane, predstavlja stepen zagrejanosti nekog tela i ne zavisi od broja molekula, koje telo sadrži, već samo od njihove srednje kinetičke energije.

Kada se unutrašnja energija tela prenosi na neko drugo telo, taj transfer nazivamo toplota. 

Protokom toplote menja se unutrašnja energija tela a sa njom i srednja kinetička energija molekula. Kako je merilo srednje kinetičke energije molekula nekog tela temperatura, promeniće se i temperatura tela.

Prvi princip termodinamike: Unutrašnja energija tela može se menjati direktnim protokom toplote i radom spoljašnjih sila 

$$\Delta U=\Delta Q-A $$

U je unutrašnja energija tela, Q je toplota dok je A rad protiv spoljašnjih sila.

U slučaju gasova, rad spoljašnjih sila podrazumeva sabijanje gasa, odnosno smanjenje zapremine gasa. U tom slučaju energija utrošena na sabijanje gasa se jednim delom pretvara u unutrašnju energiju sabijenog gasa, zbog čega mu se temperatura povećava.

Ukoliko se gas širi, tada gas vrši rad protiv spoljašnjih sila. Prilikom širenja, gas troši deo svoje unutrašnje energije na rad širenja, te se njegova temperatura smanjuje. Promena temperature gasa naročito dolazi do izražaja kada se rad vrši brzo, te je ograničena razmena toplote sa okolinom.

$$A=p\cdot \Delta V $$

Otvaranje boce gaziranog pića

Gazirana (gasirana) pića, kao što je šampanjac, sadrže rastvoreni ugljen dioksid. Nakon punjenja, tokom transporta, jedan deo ugljen dioksida se izdvoji iz tečnosti i nagomila u prostoru između tečnosti i zatvarača. Pritisak gasa u ovom delu boce je stoga veći od atmosferskog. Kada se boca otvori zarobljeni ugljen dioksid se naglo širi, pri čemu vrši rad protiv atmosferskog pritiska iz okoline. Vršenje rada se odvija na račun unutrašnje energije gasa, zbog čega se temperatura ugljen dioksida, koji napušta bocu snižava. Tako ohlađeni gas zahvata vazduh iznad boce i vodenu paru u njemu. Ukoliko je vodena para u vazduhu zasićena, ili blizu zasićenja, što nije retkost u toplim letnjim danima, zahvaćena hladnim gasom para će se na trenutak kondenzovati.

Iz istog razloga, prilikom korišćenja, dezodorans je hladan, iako se nalazio na sobnoj temperaturi. Izlaskom iz bočice gas se naglo širi te vrši rad, za šta troši sopstvenu unutrašnju energiju, zbog čega mu se temperatura snižava.

Dizel motor

Prilikom kretanja klipa u cilindru na dole, otvara se usisni ventil i tom prilikom u cilindar ulazi smeša goriva i vazduha. Kada klip počne da se kreće na gore, zatvaraju se ventili i smeša goriva i vazduha se naglo sabija na malu zapreminu. Pošto klip vrši rad nad smešom goriva i vazduha, unutrašnja energija smeše se povećava, a zajedno sa njom i temperatura. U gornjoj tački temperatura dostiže željenu vrednost, pri kojoj dolazi do samozapaljenja goriva. Nakon sagorevanja kapljice goriva prelaze u stanje gasa, zbog čega naglo raste pritisak, te se gas širi gurajući klip na dole i pri tom vršeći rad, koji se prenosi na radilicu, i u krajnjoj konsekvenci na točkove automobila. Poslednja faza je izbacivanje sagorelih gasova iz sistema.