؟-وكيف-يمكن-حسابها؟.jpg "ما هي الطاقة الداخلية (Internal Energy)؟ وكيف يمكن حسابها؟")
محتويات
ما هي الطاقة الداخلية (Internal Energy)؟
تعد الطاقة الداخلية خاصية للمواد تعبر عن إجمالي الطاقة الحركية الناتجة عن حركة الجزيئات والطاقة الكامنة المرتبطة بالحركة الاهتزازية والطاقة الكهربائية للذرات داخل الجزيئات، بالإضافة إلى الطاقة الناتجة عن الروابط الكيميائية بين جزيئات المادة الداخلية،[١] وترتبط الطاقة الداخلية بالحركة العشوائية غير المنتظمة للجزئيات المكوِّنة للمادة.[٢]
كيف يمكن حساب الطاقة الداخلية؟
توجد العديد من القوانين التي يمكن من خلالها حساب الطاقة الداخلية لأي نظام مغلق وله حدود واضحة ومحددة، وهذه القوانين كما يأتي؛ (الطاقة الداخلية= الحرارة + الشغل الميكانيكي)، إذ يكتب القانون على الصورة الآتية؛ (ط= ح+ ش)، إذ إن:[١]
- ط: التغير في الطاقة الداخلية للجسم.
- ح: الحرارة الموجودة داخل النظام والناتجة عن ترابط الجزيئات.
- ش: الشغل الناتج عن تحول الطاقة الحرارية الموجودة داخل النظام.
أما الاختلاف بين الطاقات الداخلية للجسم فيحسب كما يلي؛ الاختلاف بين الطاقات الداخلية للجسم= الطاقة الأولية للجسم في الحالة ب - الطاقة الأولية للجسم في الحالة أ، ويكتب القانون على الصورة التالية؛ (فرق الطاقة الداخلية= ط ب - ط أ)، إذ إن:[١]
- ط أ: الطاقة الأولية للجسم قبل حدوث التفاعل.
- ط ب: الطاقة الأولية للجسم بعد تأثير التفاعل الكيميائي عليه.
أما قانون (الفرق في الطاقة الداخلية= طاقة المواد الناتجة - طاقة المواد المتفاعلة)، فيستخدم في حالة حدوث التفاعل الكيميائي على المادة، حيث يتم احتساب الفرق في الطاقة الداخلية للمادة التي تأثرت بحدوث التفاعل الكيميائي عن طريق إيجاد الطاقة الداخلية للمواد المتفاعلة قبل تأثر المادة بالتفاعل ومن ثم إيجاد الطاقة الداخلية للنواتج التي ظهرت بعد حدوث التفاعل وإيجاد الفرق بين الطاقات الداخلية في الحالتين.[١]
أنواع الطاقة الداخلية
تنتج الطاقة الداخلية في النظام الداخلي للجسم نتيجة ارتباط جزيئات المادة مع بعضها البعض،[١] وتكون هذه الطاقة على أنواع مختلفة كما يلي:
الطاقة الحركية أو الحرارية
تأتي الطاقة الحركية أو الحرارية في النظام الداخلي للجسم على ثلاثة أشكال:[٣]
- الطاقة الانتقالية: وهي الطاقة الناتجة في المواد السائلة والغازات والتي تتشكل بفعل حركة الجزيئات العشوائية والسريعة وغير المنتظمة على طول الخط المستقيم.
- الطاقة الاهتزازية: وينتج هذا النوع من الطاقة الداخلية على مستوى الذرات بحيث إن قوى التجاذب بين بروتونات الذرة وإلكترونات الذرة المجاورة وقوى التنافر بين إلكترونات الذرة والإلكترونات الموجودة في الذرة المجاورة تسبب اهتزاز الذرات التي ينتج عنها الطاقة الاهتزازية.
- الطاقة الدورانية: وتنتج الطاقة الدورانية داخل النظام عن دوران الذرات المكوّنة للمادة حول المحاور بحيث تدور الذرات الأحادية والذرات الثنائية بشكل عمودي على محاور جزيئات المادة لتنتج عن هذا الدوران داخل النظام طاقة دورانية.
ويمكن جمع هذه المكونات لحساب الطاقة الحركية الموجودة في النظام الداخلي وفق القانون التالي:[٣]
الطاقة الحركية = الطاقة الانتقالية + الطاقة الاهتزازية + الطاقة الدورانية.
طاقة الوضع أو الربط
تأتي طاقة الوضع أو الربط في النظام الداخلي على شكلين هما:[٣]
- طاقة الربط الفيزيائي: وهي مقدار الطاقة اللازمة لفصل ذرات المادة الداخلية عن بعضها البعض، وتنتج عن قوى الربط روابط جذب فيزيائية بين الذرات، وتختلف باختلاف المادة بحيث تكون قوى ربط قوية في المواد الصلبة، بينما تشكل روابط فيزيائية ضعيفة في المواد السائلة.
- طاقة الربط الكيميائي: هي الطاقة اللازمة لفصل الجزيئات المكونة للمادة ليحولها إلى ذرات منفصلة، عن طريق تحطيم الروابط الكيميائية الناتجة عن التجاذب الكهربائي بين مكونات الذرات الموجبة والسالبة، وينتج عن هذا النوع من الطاقة فصل جزيء المادة إلى ذرتين منعزلتين.
وبذلك يمكن حساب طاقة الوضع أو الربط داخل أي نظام عن طريق جمع هذه المكونات لتصبح العلاقة كما يأتي:[٣]
طاقة الربط= طاقة الربط الكيميائي + طاقة الربط الفيزيائي.
أسئلة شائعة عن الطاقة الداخلية
هل يمكننا حساب الطاقة الداخلية بشكل مباشر؟
كلا، بل يمكننا حساب الطاقات المرتبطة بالطاقة الداخلية ونتيجة التفاعل، والتي تدل عليها كالطاقة الحرارية.[٤]
كيف يمكن احتساب الطاقة الداخلية لأي نظام؟
لا يمكننا حساب الطاقة الداخلية بشكل مباشر لأي نظام، وإنما نقوم بحساب الفرق في الطاقة الداخلية بعد تعريض النظام لتفاعل معين أو حرارة أو طاقة، ويكون الفرق في الطاقة الداخلية موجبًا إذا اكتسب النظام طاقة بالنتيجة، وسالبًا في حال أن النظام قد فقد الطاقة، وتكون العلاقة كما يأتي:[٤]
الفرق في الطاقة الداخلية = طاقة النظام النهائية - الطاقة الابتدائية للنظام.
ما علاقة الطاقة الداخلية بحرارة التفاعل في التفاعل الكيميائي؟
في نظام حجمه ثابت ويؤثر عليه ضغط مستمر يكون التغير في الطاقة الداخلية للنظام مساويًا لحرارة التفاعل الكيميائي، لذا ولأن أغلب التفاعلات الكيميائية تحدث في ظروف الضغط المستمر، فإن المحتوى الحراري هو وسيلة لقياس حرارة التفاعل مقارنة بالطاقة الداخلية.[٥]
ما العوامل المؤثرة على الطاقة الداخلية لأي نظام؟
يحتوي أي نظامٍ بين جزيئاته وذراته الداخلية على طاقاتٍ وحركات مختلفة تؤدي إلى تكوين الطاقة الداخلية، وتتأثر الطاقة الداخلية في النظام بعاملين رئيسين هما: الحرارة والشغل، بحيث يتأثر النظام بانتقال الحرارة من النظام إلى الخارج أو من الخارج إليه، كما يتأثر بالشغل المبذول منه أو الشغل المبذول عليه من قوة أو نظام خارجي يؤثران عليه.[٥]
كيف يتم حساب الطاقة الداخلية للغازات؟
لا يوجد أي نوع من التفاعل بين جسيمات الغاز في الغاز المثالي، لذا فإن التفاعل بين جزيئات الغاز لا ينتج عنه طاقات محتملة، وإنما تكون طاقته الداخلية ناتجة فقط عن مجموع الطاقات الحركية للجسيمات في الغاز، وتكون العلاقة التي يتم احتساب الطاقة الداخلية في الغاز المثالي منها كما يأتي؛ (الطاقة الداخلية للنظام= 3\2 x ر x د)، حيث إن:[٦]
- ر: ثابت الغاز المثالي ويقاس بوحدة الجول\ مول.كلفن.
- د: درجة الحرارة بالكلفن.
المراجع
- ^ أ ب ت ث ج "What is Internal Energy?", byjus.com, Retrieved 3/6/2021. Edited.
- ↑ "Internal Energy", hyperphysics.phy-astr.gsu.edu, Retrieved 3/6/2021. Edited.
- ^ أ ب ت ث "concept of internal energy", thefactfactor.com, Retrieved 4/6/2021. Edited.
- ^ أ ب "Internal Energy, Heat, and Work", www.chem.purdue.edu, Retrieved 4/6/2021. Edited.
- ^ أ ب "Internal Energy and Enthalpy", courses.lumenlearning.com, Retrieved 4/6/2021. Edited.
- ↑ "Energy, Enthalpy, and the First Law of Thermodynamics", chemed.chem.purdue.edu, Retrieved 4/6/2021. Edited.
