Solarenergie
Die innere Energie (U) ist eine fundamentale Größe der Thermodynamik, die die Gesamtenergie repräsentiert, die in einem System aufgrund der Bewegung und Wechselwirkungen seiner Teilchen auf mikroskopischer Ebene gespeichert wird. Obwohl sie nicht direkt beobachtet werden kann, zeigen sich ihre Effekte durch Veränderungen makroskopischer Eigenschaften wie Temperatur, Druck oder des physikalischen Zustands der Materie.
Jede Substanz besitzt innere Energie, selbst wenn sie scheinbar in Ruhe ist. Ein Metallblock, ein Glas Wasser oder die in einem Raum enthaltene Luft speichern innere Energie, weil seine Atome und Moleküle sich ständig bewegen und miteinander interagieren.
Variation der inneren Energie
Die innere Energie eines Systems kann durch zwei Hauptmechanismen steigen oder abnehmen:
- Wärmeübertragung (Q): Wenn ein Temperaturunterschied zwischen dem System und seiner Umgebung besteht.
- Arbeitsabschluss (W): Wenn das System Arbeit an der Umgebung verrichtet oder die Umgebung Arbeit am System verrichtet.
Die Beziehung zwischen diesen Größen wird durch das erste Hauptgesetz der Thermodynamik gegeben:
Diese Gleichung drückt aus, dass die Variation der inneren Energie eines Systems gleich der Wärme ist, die es erhält abzüglich der Arbeit, die es an seiner Umgebung verrichtet.
Wenn beispielsweise das Wasser in einem Tank von einem solarthermischen Energiesystem erhitzt wird, wird die Sonnenstrahlung in thermische Energie umgewandelt, die die innere Energie des Wassers erhöht und seine Temperatur erhöht.
Wenn ein System vollständig isoliert ist und keine Wärme austauscht oder mit der Außenwelt arbeitet, bleibt seine innere Energie konstant.
Eigenschaften der inneren Energie
Die innere Energie besitzt mehrere wichtige Eigenschaften:
- Er ist eine Funktion des Zustands: Sein Wert hängt nur vom aktuellen Zustand des Systems ab und nicht vom Prozess, der zu dessen Erreichung durchgeführt wird.
- Es handelt sich um eine extensive Eigenschaft: Sie nimmt proportional mit der vorhandenen Materiemenge zu.
- Sie kann nicht direkt gemessen werden: In der Praxis werden ihre Variationen durch Wärme- und Arbeitsaustausch bestimmt.
- Es hängt von der Zusammensetzung des Systems ab: Verschiedene Substanzen können selbst bei derselben Temperatur unterschiedliche innere Energien haben.
Messeinheiten
Im Internationalen System (SI) wird die innere Energie in Joule (J) gemessen.
Abgeleitete Größen werden auch verwendet, um die innere Energie in Bezug auf die Menge der Materie auszudrücken:
- Spezifische innere Energie (u): innere Energie pro Masseneinheit (J/kg).
- Molare innere Energie (Um): innere Energie pro Mol Substanz (J/mol).
Mikroskopische Interpretation der inneren Energie
Aus mikroskopischer Sicht besteht die innere Energie aus zwei Hauptbeiträgen: der inneren kinetischen Energie und der inneren potenziellen Energie.
Innere kinetische Energie
Die innere kinetische Energie ist mit der Bewegung der Teilchen verbunden, aus denen das System besteht.
In Gasen bewegen sich Moleküle kontinuierlich zufällig, rotieren und vibrieren zugleich. Je höher die Temperatur, desto höher ist die durchschnittliche kinetische Energie dieser Teilchen.
In Flüssigkeiten und Feststoffen haben die Teilchen weniger Bewegungsfreiheit, schwingen aber weiterhin um Gleichgewichtspositionen. In diesen Zuständen steht die Temperatur auch in Beziehung zur kinetischen Energie der Teilchen.
Innere potenzielle Energie
Die innere potentielle Energie steht im Zusammenhang mit den Wechselwirkungskräften zwischen Teilchen.
In Feststoffen und Flüssigkeiten ziehen Moleküle sich durch intermolekulare Kräfte an und stoßen sie ab. Die mit diesen Wechselwirkungen verbundene Energie ist Teil der inneren Energie des Systems.
Während Phasenwechsel wird die innere potenzielle Energie besonders wichtig. Wenn ein Feststoff schmilzt oder eine Flüssigkeit verdampft, wird ein Teil der absorbierten Energie genutzt, um intermolekulare Kräfte zu überwinden, ohne dass die Temperatur steigt.
Aus diesem Grund kann während eines Zustandswechsels die Temperatur konstant bleiben, während die innere Energie weiterhin variiert.
Innere Energie in idealen Gasen
Um die Untersuchung thermodynamischer Systeme zu vereinfachen, wird häufig das Modell des idealen Gases verwendet.
Ein ideales Gas wird durch folgende Hypothesen charakterisiert:
- Seine Partikel haben ein vernachlässigbares Volumen.
- Zwischen ihnen gibt es keine intermolekularen Kräfte, außer bei Kollisionen.
- Kollisionen sind vollkommen elastisch.
Unter diesen Bedingungen hängt die innere Energie ausschließlich von der Temperatur ab.
Der allgemeine Ausdruck für die innere Energie eines idealen Gases lautet:
wobei:
- n ist die Anzahl der Maulwürfe.
- Cv ist die molare Wärmekapazität bei konstantem Volumen.
- T ist die absolute Temperatur.
Für ein ideales monoatomiges Gas gelten auch Folgendes:
wobei R die universelle Gaskonstante ist.
In zweiatomigen und polyatomaren Gasen erhöhen die Energiebeiträge, die mit molekularer Rotation und Schwingung verbunden sind, die gesamte innere Energie.
Wie wird innere Energie gemessen?
Die absolute innere Energie kann nicht experimentell direkt bestimmt werden. Es ist jedoch möglich, ihre Variationen zu messen, die in der Thermodynamik von Interesse sind.
Zu diesem Zweck werden Folgendes analysiert:
- Die Wärme wird während eines Prozesses ausgetauscht.
- Die Arbeit, die vom oder am System durchgeführt wird.
- Temperaturschwankungen.
- Die physikalischen und chemischen Verwandlungen, die Materie durchläuft.
Kalorimeter sind speziell entwickelte Instrumente, um thermische Energieaustausche zu messen und interne Energievariationen zu berechnen.
Zum Beispiel gibt das System bei einer exothermen chemischen Reaktion Energie in die Umwelt ab, sodass seine innere Energie abnimmt. Bei einer endothermen Reaktion passiert das Gegenteil: Das System nimmt Energie auf und seine innere Energie nimmt zu.
Innere Energie und Phasenwechsel
Veränderungen des physikalischen Zustands beinhalten erhebliche Veränderungen der inneren Energie.
Bei Prozessen wie Schmelzen, Verdunstung oder Sublimation:
- Die Temperatur bleibt während der gesamten Phasenänderung konstant.
- Die aufgenommene oder freigesetzte Energie wird genutzt, um intermolekulare Kräfte zu verändern.
- Die innere Energie steigt oder nimmt ab, selbst wenn keine Temperaturschwankungen vorliegen.
Bei der Verdunstung absorbieren die Moleküle Energie, um die Kohäsionskräfte der Flüssigkeit zu überwinden und in den gasförmigen Zustand zu gelangen. Bei der Kondensation findet der umgekehrte Prozess statt: Moleküle setzen Energie frei, wenn sie von Gas zu Flüssigkeit wechseln.