الطاقه الداخليه للحراره

طاقة داخلية
عدلراقب هذه الصفحة
في الديناميكا الحرارية وفي فيزياء الأجسام (بالإنجليزية: internal energy) تعبر الطاقة الداخلية عن طاقة الحركة الناتجة عن حركة الجزيئات في المادة سواء كانت حركة انتقالية أو دورانية ،و اهتزازية ,كذلك طاقة الوضع الناتجة عن الحركة الاهتزازية ، والطاقة الكهربية للذرات المكونة للجزيئات أو البلّورات. وتشمل الطاقة الداخلية أيضا على الطاقة المخزونة في الترابط الكيميائي ، وطاقة الإلكترونات الحرة في الموصلات والمعادن.

كما يمكن حساب الطاقة الداخلية للإشعاع الكهرومغناطيسي أو إشعاع الجسم الأسود. وهي دالة لنظام معين معزول وله صفات معينة.

وصفها وتعريفهاعدل

الطاقة الداخلية U هي مجموع الطاقات Ei الذاتية التي تخص نظام ترموديناميكي:


وهي تقسم إلى جزئين أحدهما طاقة الوضع (Upot) وطاقة الحركة(Ukin) :


وتظهر طاقة الحركة لنظام كمجموع حركات الجسيمات المكونة للنظام ، سواء كانت حركة الذرات أو أنوية الذرات ، أو حركة الجزيئات أو الإلكترونات. وطاقة الوضع تعين من جميع الطاقات المتعلقة بكتلة الجسيمات المكونة للنظام ، وكذلك التركيب الكيميائي مثل الطاقة الكيميائية المخزونة في روابط الذرات وهي التي تستطيع أن تقوم بالتفاعلات الكيميائية ، وكذلك طاقة الوضع النووية المختزنة في تشكيلات البروتونات والنيوترونات وجسيمات أولية أخرى تكمن في انوية الذرات. كذلك ينتمي إلى الطاقة الداخلية مجالات القوى داخل النظام ، مثل مجال التأثير الكهربائي والمجال المغناطيسي ، وكذلك طاقة الاعوجاج والتهشم في المواد الصلبة والإجهاد وقوي الشد. ولا تحتوي الطاقة الداخلية على طاقة الحركة للنظام بأسره. والطاقة الداخلية لا تحوي أيضا أي من طاقة وضع أو طاقة حركة قد يمتلكها الجسم بسبب موقعه في مجال خارجي ، مثل الجاذبية أو مجال كهربائي استاتيكي أو مجال قوي كهرومغناطيسية.

وعند دراسة الديناميكا الحرارية يندر أن نأخذ جميع الطاقات الذاتية لنظام مثل العينة التي نفحصها فلا نأخذ الطاقة المكافئة للكتلة. تلك الخاصية أتت بها النظرية النسبية ويجب تطبيقها في مجالات أخرى.

وعندما نقوم بدراسة نظام ترموديناميكي (ديناميكا حرارية) فمن الصعب حساب جميع أنواع الطاقات الداخلية. [1]

ونقتصر على خواص النظام المعتمدة على حجم النظام ، وكمية المادة به والضغط ودرجة الحرارة.

وعند درجة حرارة أعلى من درجة الصفر المطلق تتفاعل في النظام طاقة الحركة وطاقة الوضع مع بعضها البعض ولكن مجموعهما يكون ثابتا في نظام مغلق معزول. وطبقا لنظرية الحركة الحرارية الكلاسيكية فكانت تعتبر أن النظام يفقد طاقة الحركة عند درجة الصفر المطلق وتبقى طاقة الوضع. ولكن ميكانيكا الكم بينت فيما بعد (عام 1923) أن النظام يكون له ما يسمى "طاقة نقطة الصفر" كطاقة حركة عند جرجة الصفر المطلق. ويوجد نظام عند درجة الصفر المطلق في حالته القاعية طبقا لميكينيكا الكم وهي أقل مستوى طاقة يمكن أن يتخذها النظام. ونقول أن عند درجة الصفر المطلق يصل النظام إلى أقل إنتروبيا له.

وطاقة حركة الجزيئات التي تشكل جزءا من الطاقة الداخلية لنظام ترموديناميكي هي التي تؤدي ظهر حرارته. وتبين الميكانيكا الإحصائية أن حركة الجزيئات العشوائية في النظام تشترك وتشكل متوسط طاقة الحركة لجميع الجزيئات المتكون منها النظام. كما تبين الميكانيكا الإحصاية أيضا أن متوسط طاقة الحركة للجسيمات هي التي تظهر الخواص المشاهدة للنظام كما نعهده من الخارج ومن ضمنها درجة حرارته. وتسمى تلك الطاقة عادة الطاقة الحرارية للنظام ،[2] وهي التي تجعلنا نفرق بين الجسم البارد والجسم الساخن.

وتدرس الميكانيكا الإحصائية نظام عن أساس أن جزيئاته موزعة عشوائيا على عدد N من الحالات الصغرية microstates ، وكل منها ذو طاقة Ei ومقترنا بدرجة من احتمال وجودها pi. وتكون الطاقة الداخلية هي متوسط قيم الطاقة الكلية للنظام ، أي مجموع طاقات الحالات الصغرية ، وكل منها يتسم بمعامل يعبر عن احتمال وجود كل حالة صغرية في النظام ككل:

,

حيث  هو احتمال وجود حالة الطاقة ذات المقدار Ei في النظام .

تلك المعادلة هي التعبير الإحصائي ل القانون الأول للديناميكا الحرارية.

الطاقة الداخلية في الديناميكا الحراريةعدل

تعرف الطاقة الداخلية U لنظام في الديناميكا الحرارية بأنها إحدى خصائص النظام - والتغير في الطاقة الداخلية ΔU يساوي مجموع الحرارة Q التي يكتسبها النظام والشغل W الذي يؤديه النظام (يمكن تخيل أن لدينا مكبسا نمده بالحرارة فيتمدد الغاز فيه ، فيندفع المكبس إلى أسفل ويؤدي حركة (شغل)). [3]


تقول تلك المعادلة أن الطاقة الداخلية لنظام تزيد عند إمداده بحرارة أو عند زيادة الضغط عليه حيث أن الطاقة المسلطة عليه من الخارج تختزن فيه (إلى حين تسريبها وأداء شغل).

تهمنا الطاقة الداخلية لنظام في الترموديناميكا الحرارية لأنها تمكننا من حساب كفاءة عمل الآلات ، مثل محرك الاحتراق الداخلي ، آلة بخارية ، محرك كهربائي ، محرك نفاث ، وغيرها.

وحدة الطاقة الداخلية مثل وحدات الطاقة جميعا وهي الجول ، وقد تستعمل وحدات أخرى لأسباب تاريخية (مثل السعر الصغير (Calorie) والسـُعر الكبير (KiloCalorie) أو للتناسب مع الحالة تحت الدراسة ، فمثلا يستعمل الفيزيائيون وحدة الإلكترون فولت (eV) أو (keV) أو (MeV)عند تعاملهم مع الذرة والجسيمات الأولية تحت الذريى.