Energi dalam
| English | Bahasa Indonesia |
|---|---|
| internal energy/ɪnˈtɜːnl ˈenədʒi/ | energi dalam |
| translational/trænˈsleɪʃənl/ | translasi |
| rotational/rəʊˈteɪʃənl/ | rotasi |
| vibrational/vaɪˈbreɪʃənl/ | vibrasi |
| ideal gas/aɪˈdɪəl ɡæs/ | gas ideal |
| intermolecular/ˌɪntəməˈlekjʊlə/ | antarmolekul |
Secangkir teh yang tak bergerak, cepat
- Secangkir teh diam di atas meja. Tidak ada yang bergerak darinya, namun molekul-molekulnya bergerak dengan kecepatan ratusan meter per detik, ke segala arah sekaligus.
- Kecepatan saling meniadakan, itulah sebabnya cangkir tetap diam. Energi tidak saling meniadakan, karena energi kinetik tidak memiliki arah yang bisa saling meniadakan.
- Energi itu, yang tak terlihat dari luar, inilah yang membuat teh panas dan apa yang harus dibayar oleh teko.
- Pelajaran ini adalah energi dalam: apa pembentukannya, apa yang mempengaruhinya, dan apa yang terjadi padanya ketika suhu tidak berubah.
Apa yang membentuk energi dalam
- Energi dalam $U$ dari suatu sistem adalah jumlah distribusi acak dari kinetik dan potensial energi molekul-molekulnya.
- Bagian kinetik: molekul bergerak melintasi ruang (translasi), dan kecuali jika mereka adalah atom tunggal, mereka juga berputar (rotasi) dan bergetar (vibrasi).
- Bagian potensial: energi yang tersimpan dalam gaya antar molekul, yang bergantung pada seberapa jauh jarak antar molekul.
- Kedua poin definisi bernilai dua perlu "jumlah energi kinetik dan potensial" dan kata acak. Menghilangkan "acak" menggambarkan energi benda yang bergerak sebagai kesatuan.
Penyebaran energi molekul
Energi dalam adalah total energi kinetik + potensial acak dari molekul-molekulnya. Panaskan gas dan seluruh distribusi kecepatan bergeser ke energi yang lebih tinggi.
Energi dalam adalah jumlah dari energi apa saja?
Energi dalam = energi KE acak molekul + PE antar-molekul. Pergerakan keseluruhan benda (KE massal) terpisah darinya.
Manakah definisi lengkap energi dalam bernilai dua poin?
Kedua poin memerlukan "kinetik dan potensial" serta kata "acak". Tanpa kata "acak", frasa tersebut menggambarkan energi benda yang bergerak.
Acak, bukan massa besar
- $U$ adalah jumlah atas molekul, bukan energi kinetik benda yang bergerak sebagai keseluruhan.
- Tanker gas yang melaju di jalan tol memiliki banyak energi kinetik massa besar. Energi dalamnya sama persis dengan saat diparkir, karena gerakan molekular acak tidak berubah.
- Berhentikan tanker tersebut dan energi kinetik massa besar menjadi panas, yang kemudian naik $U$. Keduanya adalah besaran terpisah yang dapat dikonversi satu sama lain.
Salah satunya memiliki energi dalam; keduanya memiliki energi
Energi kinetik massal kereta api yang bergerak dianggap sebagai bagian dari energi dalamnya.
Tidak — energi dalam adalah energi dari gerakan molekul acak, bukan pergerakan keseluruhan benda.
Tanker gas yang melaju di jalan tol memiliki energi dalam lebih besar daripada tanker yang sama dalam keadaan diam, pada suhu yang sama.
Gerakan massal bukanlah energi dalam. Gerakan molekul acak tidak berubah, sehingga U sama; truk itu sekadar juga memiliki energi kinetik.
Fungsi keadaan
- $U$ ditentukan oleh keadaan sistem: suhunya, tekanannya, volumenya, dan jumlah zatnya.
- Ia tidak bergantung pada jalur yang ditempuh untuk mencapai keadaan tersebut. Kompresi gas lalu panaskan, atau panaskan lalu kompres: jika keadaan akhirnya sama, $U$ juga sama.
- Inilah yang membuat hukum pertama berguna di pelajaran berikutnya: $\Delta U$ dapat ditemukan hanya dari titik awal dan akhir, bagaimanapun rumit perjalanannya.
Energi dalam hanya bergantung pada keadaan sistem, bukan pada jalur yang ditempuh untuk mencapainya.
Ya — $U$ adalah fungsi keadaan (T, p, V, jumlah); dua rute menuju keadaan yang sama menghasilkan $U$ yang sama.
Suhu dan energi dalam
- Meningkatkan suhu benda meningkatkan energi kinetik acak molekulnya, sehingga meningkatkan energi dalamnya.
- Untuk gas ideal gaya antarmolekul diabaikan, sehingga energi potensial molekuler nol dan energi dalam murni kinetik. Dengan $\tfrac32 kT$ per molekul:
- Jadi untuk gas ideal $U$ berbanding lurus dengan suhu termodinamika. Gandakan $T$ dan Anda akan menggandakan $U$. Ini berlaku eksak hanya untuk gas ideal.
Untuk gas ideal, energi dalamnya adalah:
Tidak ada PE antar-molekul, sehingga $U$ sepenuhnya kinetik: $U = \tfrac{3}{2}NkT = \tfrac{3}{2}nRT$.
Untuk gas ideal, jika suhu absolut berlipat ganda, energi dalam dikalikan dengan:
$U = \tfrac{3}{2}nRT \propto T$, sehingga menggandakan $T$ menggandakan $U$.
Contoh terpecahkan: gas dipanaskan pada tekanan konstan
- Gambar sketsa bagaimana energi dalam dari massa tetap gas ideal bervariasi terhadap volumenya saat dipanaskan pada tekanan konstan.
- Pada tekanan konstan, hukum Charles memberikan $V \propto T$. Untuk gas ideal, $U \propto T$.
- Oleh karena itu $U \propto V$: garis lurus melalui titik asal.
- Titik asal berada pada garis karena pada nol absolut baik volume ekstrapolasinya maupun energi dalam adalah nol. Jelaskan mengapa garis melewati titik asal; itu biasanya merupakan poin nilai kedua.
Massa gas ideal tertentu dipanaskan pada tekanan tetap. Bagaimana grafik energi dalam terhadap volume?
Pada tekanan tetap, V sebanding dengan T, dan untuk gas ideal U sebanding dengan T, sehingga U sebanding dengan V. Garis ini melewati titik asal karena keduanya mengekstrapolasikan nol pada nol mutlak.
Perubahan fase
- Ketika es mencair atau air mendidih, suhu tidak berubah, namun energi masih disuplai.
- Energi kinetik tidak berubah, karena suhu tidak berubah. Potensial energi meningkat, karena ikatan antara molekul terputus dan jarak pemisahannya bertambah.
- Jadi $U$ meningkat pada suhu konstan, sebesar kalor laten yang disuplai. Ini adalah kasus paling jelas di mana energi dalam dan suhu terpisah.
Sementara air mendidih pada suhu tetap, energi dalamnya:
Suhu (dan karenanya KE) tidak berubah, tetapi energi digunakan untuk memutus ikatan — meningkatkan PE molekuler, sehingga $U$ naik.
Contoh terpecahkan: sebutkan kedua energi, setiap kali
- Jawaban "deskripsikan dan jelaskan, dengan merujuk pada energi kinetik dan potensial molekuler" bernilai tiga poin mengatakan apa yang terjadi pada masing-masing:
- Gas dipanaskan pada volume konstan: energi kinetik meningkat, karena suhu mengukur rata-rata energi kinetik molekuler; energi potensial tidak berubah, karena jarak antar molekul tidak berubah; jadi $U$ meningkat.
- Kawat direntangkan dalam batas elastisnya pada suhu konstan: energi kinetik tidak berubah, suhu sama; energi potensial meningkat, karena atom-atom ditarik lebih jauh melawan gaya antaratom; jadi $U$ meningkat.
- Es mencair pada $0\ ^\circ\text{C}$: energi kinetik tidak berubah; energi potensial meningkat saat ikatan terputus dan jarak bertambah; jadi $U$ meningkat sebesar kalor laten yang disuplai.
Cocokkan setiap perubahan dengan apa yang terjadi pada energi kinetik dan potensial molekul.
Suhu mengubah bagian kinetik; mengubah jarak antar molekul mengubah bagian potensial. Sebutkan keduanya dalam setiap jawaban.
⟦⟧ Nilai yang sering terlewat
- Definisi membutuhkan acak dan kedua energi. "Energi molekul" saja tidak cukup.
- Gerakan massa besar bukan energi dalam. Energi kinetik benda yang bergerak terpisah dari $U$.
- $U = \tfrac32 nRT$ berlaku hanya untuk gas ideal, karena hanya di sanalah energi potensial molekuler nol.
- Pada perubahan fase suhu konstan tetapi $U$ meningkat, melalui suku potensial. Sebutkan energi mana yang berubah dan mana yang tidak.
Anda telah memahaminya
- energi dalam adalah jumlah distribusi acak dari kinetik dan potensial energi molekul sistem
- ia adalah sifat keadaan, bukan jalur, dan terpisah dari energi kinetik massa besar benda yang bergerak
- untuk gas ideal suku potensial nol, jadi $U = \tfrac32 nRT$ dan $U \propto T$ eksak
- perubahan fase meningkatkan $U$ pada suhu konstan dengan meningkatkan potensial energi saat ikatan terputus