الطاقة الداخلية

كوب شاي لا يتحرك، بل سريع الحركة

• كوب شاقب ثابت على الطاولة. لا يوجد شيء فيه يتحرك، ومع ذلك تتحرك جزيئاته بمئات الأمتار في الثانية، في كل الاتجاهات في آن واحد.
• تتلاشى السرعات، ولهذا السبب تظل الكوب ثابتاً. أما الطاقات فلا تتلاشى، لأن الطاقة الحركية ليس لها اتجاه يمكن أن يتلاشى معه.
• تلك الطاقة، التي لا تُرى من الخارج، هي ما يجعل الشاي ساخناً وما كان على الغلاية أن تدفعه.
• هذه الدرس هو الطاقة الداخلية: ماهيتها، وما الذي تعتمد عليه، وما الذي يحدث لها عندما لا تتغير درجة الحرارة.

مما تتكون الطاقة الداخلية

• الطاقة الداخلية $U$ للنظام هي مجموع التوزيع العشوائي لـ الحركية والجهد طاقات جزيئاته.
• الجزء الحركي: الجزيئات تطير عبر الفضاء (انتقالي)، إلا أنها إذا كانت ذرات مفردة فهي تدور أيضاً (دوراني) وتهتز (اهتزازي).
• جزء الجهد: الطاقة المخزنة في القوى بين الجزيئات، والتي تعتمد على مدى تباعدها عن بعضها.
• كلا العنصرين في تعريف الدرجة المزدوجة يحتاجان إلى "مجموع الطاقات الحركية والجهد" و كلمة عشوائي. استبعاد كلمة "عشوائي" يصف طاقة جسم متحرك بدلاً من ذلك.

عشوائي، وليس كتلياً

• $U$ هو مجموع على الجزيئات، وليس الطاقة الحركية للجسم وهو يتحرك ككل.
• ناقل الوقود وهو يسير على طريق سريع يمتلك الكثير من الطاقة الحركية الكتلية. طاقته الداخلية تساوي تماماً ما كانت عليه عندما كان واقفاً، لأن الحركة العشوائية للجزيئات لم تتغير.
• إيقاف الناقل يجعل الطاقة الحركية الكلية للكتل تصبح حرارة، والتي بدورها ترفع $U$. الكميّتان منفصلتان ويمكن تحويل إحداهما للأخرى.

إحدى هاتين له طاقة داخلية؛ لكليهما طاقة

دالة حالة

• $U$ يُحدد بواسطة حالة النظام: درجة حرارته، ضغطه، حجمه وكمية مادته.
• لا تعتمد على المسار المتبع للوصول إلى تلك الحالة. اضغط على غاز ثم سخّنه، أو سخّنه ثم اضغطه: إذا كانت الحالة النهائية متشابهة، فإن $U$ سيكون متشابهاً.
• هذا ما يجعل القانون الأول مفيداً في الدرس القادم: $\Delta U$ يمكن تحديده من أطراف المسار فقط، بغض النظر عن تعقيد الرحلة.

درجة الحرارة والطاقة الداخلية

• رفع درجة حرارة جسم ما يزيد الطاقة الحركية العشوائية لجزيئاته، وبالتالي يرفع طاقته الداخلية.
• بالنسبة لـ غاز مثالي، يتم إهمال القوى بين الجزيئية، لذا تكون الطاقة الكامنة للجزيئات صفراً وتكون الطاقة الداخلية حركية بحتة. مع $\tfrac32 kT$ لكل جزيء:

• لذلك بالنسبة لغاز مثالي $U$ متناسب طردياً مع درجة الحرارة الديناميكية الحرارية. مضاعفة $T$ تؤدي إلى مضاعفة $U$. هذا صحيح فقط لغاز مثالي.

مثال محلول: غاز يُسخن عند ضغط ثابت

تغيرات الطور

• عند انصهار الثلج أو غليان الماء، لا تتغير درجة الحرارة، ومع ذلك لا يزال يتم تزويد النظام بالطاقة.
• الطاقة الحركية تبقى دون تغيير، لأن درجة الحرارة لم تتغير. الطاقة الكامنة ترتفع، حيث تنكسر الروابط بين الجزيئات وتزداد مسافات فصلها.
• لذا $U$ تزداد عند درجة حرارة ثابتة، بواسطة الحرارة الكامنة المزودة. هذا هو أوضح حالة تفصل فيها الطاقة الداخلية عن درجة الحرارة.

مثال محلول: سمّ كلا الطاقتين في كل مرة

علامات ضائعة

لقد فهمت الأمر