Die innere Energie U

Die innere Energie U ist eine physikalische Größe und beschreibt den Energieinhalt eines Systems; die innere Energie sich aus mehreren Energieformen zusammen, deren Wert sehr schwer bestimmbar ist. Die innere Energie eines Systems ändert sich nur bei thermischen Kontakt mit der Umgebung und/oder Kontakt mit der Umgebung, wodurch mechanische Arbeit verrichtet wird (Volumenarbeit, ein Gas dehnt sich gegenüber einem Aussendruck aus).

Innere Energie U

Jedes System besitzt einen bestimmten Energieinhalt (innere Energie U) und setzt sich aus den verschiedenen Energieformen (beispielsweise kinetischer Energie, Rotationsenergie und Schwingungsenergie der Teilchen) zusammen. Die innere Energie eines Systems besteht dabei im Wesentlichen aus der thermischen Energie, chemischen Energie und Kernenergie. Addiert man somit diese Energieanteile zusammen, erhält man die innere Energie eines Systems. Die Bestimmung der inneren Energie eines Systems ist extrem schwierig. Da sich die Thermodynamik i.d.R. nur mit der Änderung der inneren Energie eines Systems beschäftigt, um mögliche Zustandsänderungen vorherzusagen, ist die Kenntnis der inneren Energie U nicht nötig.

• Wird Wärme oder Arbeit dem System zugeführt gilt: ΔQ bzw ΔQ > 0
• Leistet das System Arbeit oder gibt Wärme ab gilt: ΔQ bzw ΔQ < 0

Anwendungen

Die Änderung der inneren Energie ΔU ist gleich der Summe der Wärme Q, die dem System zugeführt wird, und der Arbeit W, die am System verrichtet wird:ΔU = Q + W.

Daraus folgt, dass sich die innere Energie eines Systems erhöht, wenn Wärme zugeführt oder Arbeit “reingesteckt” (z.B. auf das System wird Druck ausgeübt).

Die innere Energie U – Testfragen/-aufgaben

1. Was ist die “Innere Energie U” kurz definiert?

Die innere Energie U ist die Summe aller mikroskopischen Formen von Energie innerhalb eines geschlossenen Systems.

2. Wovon hängt die innere Energie U ab?

Die innere Energie U hängt von den thermodynamischen Variablen wie Temperatur, Druck und Volumen ab.

3. Was ist der erste Hauptsatz der Thermodynamik in Bezug auf die innere Energie?

Der erste Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass die Änderung der inneren Energie eines Systems gleich der zugeführten Wärme abzüglich der geleisteten Arbeit ist.

4. Welche Rollen spielen Arbeit und Wärme bei der Änderung der inneren Energie eines Systems?

Arbeit und Wärme sind die beiden Formen von Energieaustausch zwischen einem System und seiner Umgebung, die die innere Energie eines Systems ändern können.

5. Was bedeutet es, wenn die innere Energie eines Systems konstant bleibt?

Wenn die innere Energie eines Systems konstant bleibt, bedeutet dies, dass kein Energieaustausch in Form von Arbeit oder Wärme stattfindet.

6. Wie kann man die Änderung der inneren Energie eines Systems berechnen?

Die Änderung der inneren Energie eines Systems kann berechnet werden, indem man die zur Erwärmung des Systems zugeführte Wärme von der durch das System geleisteten Arbeit subtrahiert.

7. Warum ist die innere Energie eine Zustandsgröße?

Die innere Energie ist eine Zustandsgröße, weil ihr Wert von den aktuellen Zustandsvariablen des Systems (wie Temperatur, Druck und Volumen) und nicht von seinem vorherigen Zustand oder dem Weg, wie das System in seinen aktuellen Zustand gekommen ist, abhängt.

8. Was ist die Einheit der inneren Energie in der Physik?

Die Einheit der inneren Energie in der Physik ist Joule (J).

9. Wie manifestiert sich die innere Energie auf mikroskopischer Ebene?

Auf mikroskopischer Ebene manifestiert sich die innere Energie in verschiedenen Formen wie kinetischer Energie der Moleküle, potenzieller Energie zwischen Molekülen und anderen Formen von Energie auf subatomarer Ebene.

10. Wie unterscheiden sich offene und geschlossene Systeme in Bezug auf die innere Energie?

In einem geschlossenen System bleibt die innere Energie konstant, wenn keine Wärme oder Arbeit ausgetauscht wird, während sie in einem offenen System durch Materialaustausch mit der Umgebung ändern kann.