الطاقة الداخلية هي آخر وحدة في سلسلة الطاقات التي درسها تلميذ السنة الثانية ثانوي، بعد الطاقة الحركية والطاقة الكامنة الثقالية والمرونية. وهي تبدو سهلة في بدايتها لكنها تتحول في التمارين إلى مسائل معقدة تحتاج إلى فهم عميق للمفهوم قبل تطبيق أي قانون. والفكرة الأساسية أن الطاقة الداخلية تتعلق بما يحدث داخل المادة على مستوى الجسيمات التي لا نراها بالعين المجردة. تعرض هذه الصفحة المفهوم المجهري، ثم مكونيها: الطاقة الحركية المجهرية والطاقة الكامنة المجهرية، ثم كيف تتغير بالحرارة وبتغير الحالة وبالتفاعل الكيميائي، ثم انتقال الطاقة والحصيلة، وتنتهي بأخطاء متكررة وتمارين.
ما الطاقة الداخلية؟
الطاقة الداخلية لجملة (جسم أو مجموعة أجسام) هي الطاقة المرتبطة بالمستوى المجهري: أي بحركة جسيماتها (الذرات والجزيئات) وبالروابط والتأثيرات المتبادلة بينها. ولا يمكن رؤيتها بالعين المجردة، لكن نلاحظ آثارها. ونرمز لها بـ U.
وتتعلق الطاقة الداخلية بمقدارين:
- الطاقة الحركية المجهرية: ناتجة عن حركة الجسيمات واضطرابها.
- الطاقة الكامنة المجهرية: ناتجة عن الروابط بين الجسيمات.
فالطاقة الداخلية U هي مجموع الطاقة الحركية المجهرية والطاقة الكامنة المجهرية.
الطاقة الكامنة المجهرية: الروابط
تتعلق بنوعين من الروابط:
- الروابط بين الجزيئات (روابط بينية): تحدد تماسك الجزيئات بعضها ببعض.
- الروابط بين الذرات داخل الجزيء الواحد.
مثال: تغير الحالة
الماء H₂O في الحالة الصلبة (جليد): الجزيئات متقاربة ومتماسكة بروابط بينية قوية. وفي الحالة السائلة: الجزيئات متباعدة قابلة للجريان. فعندما ينصهر الجليد تنكسر جزء من الروابط البينية فتتغير الطاقة الكامنة المجهرية. ولهذا يحتاج الجليد إلى حرارة كي ينصهر، وتتغير طاقته الداخلية دون أن تتغير درجة حرارته.
وهذا الذي يفسر أن الماء يبقى عند 0 °C أثناء انصهار الجليد مهما سخنا.
مثال: التحول الكيميائي
عند التحليل الكهربائي للماء، نضع الماء المقطر مع قليل من الصودا في دارة كهربائية فتخرج فقاعات غازية: الأكسجين والهيدروجين. فقد انكسرت الروابط بين الذرات داخل جزيئات الماء، وتشكلت روابط أخرى جديدة في جزيئات الغاز. وكلما انكسرت روابط وتشكلت أخرى فإن الطاقة الكامنة المجهرية تتغير، فتفقد الجملة طاقة أو تكتسبها.
وبهذا نفهم أن الطاقة الكامنة المجهرية هي طاقة الروابط بين الأفراد الكيميائية.
الطاقة الحركية المجهرية: الحركة
هي الطاقة المرتبطة بحركة الأفراد الكيميائية (الذرات والجزيئات والشوارد). وهذه الحركة غير منتظمة وتسمى الاضطراب الحراري. وكلما ارتفعت درجة حرارة الجسم زادت سرعة جسيماته فزادت الطاقة الحركية المجهرية.
فالسخونة مقياس للحركة المجهرية: ماء سخن يحوي جزيئات أسرع حركة من ماء بارد.
كيف تتغير الطاقة الداخلية؟
| الحالة | ما يتغير | ماذا يحدث |
|---|---|---|
| ارتفاع درجة الحرارة | الطاقة الحركية المجهرية | تزداد U |
| تغير الحالة (انصهار، تبخر) | الطاقة الكامنة المجهرية | تتغير U والحرارة ثابتة |
| تفاعل كيميائي | الطاقة الكامنة المجهرية | تتغير U |
انتقال الطاقة والحصيلة
يمكن لجملة أن تغير طاقتها الداخلية بتبادل الطاقة مع المحيط بطريقتين:
- الحرارة
Q: تحويل حراري بسبب فرق درجة الحرارة (بالتوصيل أو الحمل أو الإشعاع). - العمل
W: تبادل ميكانيكي أو كهربائي.
وتنص الحصيلة الطاقوية (مبدأ انحفاظ الطاقة) على أن تغير الطاقة الداخلية يساوي مجموع ما تتلقاه الجملة:
ΔU = W + Q
وتؤخذ القيمة موجبة عندما تتلقى الجملة الطاقة، وسالبة عندما تفقدها.
أخطاء شائعة
- الخلط بين الحرارة
Q(طاقة تنتقل) ودرجة الحرارة (مقدار يقيس الاضطراب). - القول إن الطاقة الداخلية لا تتغير أثناء انصهار الجليد لأن درجة حرارته ثابتة. هي تتغير لأن الطاقة الكامنة المجهرية تتغير.
- نسيان أن الطاقة الداخلية مجموع الحركية المجهرية والكامنة المجهرية.
- القول إن الطاقة الداخلية يمكن رؤيتها أو قياسها مباشرة. تقاس تغيراتها.
- الخطأ في إشارات
WوQفي الحصيلة.
تمارين للتدرب
- ما مكونا الطاقة الداخلية؟
- لماذا تبقى درجة حرارة الجليد ثابتة أثناء انصهاره رغم تلقيه الحرارة؟
- ماذا يحدث للطاقة الحركية المجهرية عند تسخين الماء؟
- جملة تلقت
Q = 500 Jولم تتبادل عملًا. ما تغير طاقتها الداخلية؟ - ما الذي يتغير في التحليل الكهربائي للماء؟
الحلول:
- الطاقة الحركية المجهرية والطاقة الكامنة المجهرية.
- لأن الحرارة المتلقاة تستعمل في كسر الروابط البينية، فتتغير الطاقة الكامنة لا الحركية.
- تزداد.
ΔU = W + Q = 0 + 500 = 500 J.- تنكسر الروابط بين الذرات في جزيئات الماء وتتشكل روابط جديدة، فتتغير الطاقة الكامنة المجهرية.
الشرح المصوّر
لمن يفضل المتابعة بالصوت والصورة، يشرح الأستاذ لطفي في فيديو «مفهوم الطاقة الداخلية من الصفر، شرح مبسط» هذه الوحدة الخامسة في نحو ثلاث وعشرين دقيقة، موضحًا أنه سبقت دراسة الطاقة الحركية والكامنة الثقالية والمرونية، ثم يشرح الطاقة الحركية المجهرية والكامنة المجهرية بأمثلة عن الماء وتغير الحالة والتحليل الكهربائي.
وللتوسع في وحدة الطاقة الداخلية، اطلع على هذين الملفين في الموقع: