Energia wewnętrzna

Autor: Leandro Alegsa

17-12-2020

W termodynamice, wewnętrzna energia układu termodynamicznego, czyli ciała o ściśle określonych granicach, oznaczana jako U, a czasem E, jest sumą energii kinetycznej wynikającej z ruchu cząsteczek (translacyjnej, obrotowej, wibracyjnej) oraz energii potencjalnej związanej z wibracyjną i elektryczną energią atomów w cząsteczkach lub kryształach. Obejmuje ona energię we wszystkich wiązaniach chemicznych, oraz energię swobodnych, przewodzących elektronów w metalach.

Wewnętrzna energia jest potencjałem termodynamicznym i dla zamkniętego systemu termodynamicznego utrzymywanego w stałej entropii, zostanie zminimalizowana.

Można również obliczyć wewnętrzną energię promieniowania elektromagnetycznego lub promieniowania ciała czarnego. Jest to stanowa funkcja systemu, duża ilość. Jednostką energii w układzie SI jest dżul, chociaż nadal używane są inne historyczne, konwencjonalne jednostki, takie jak (małe i duże) kalorie dla ciepła. (Kalorie, które znajdują się na klasycznych etykietach żywności, są w rzeczywistości kilokaloriami).

Przegląd

Energia wewnętrzna nie obejmuje translacyjnej lub rotacyjnej energii kinetycznej ciała jako całości. Nie obejmuje ona również relatywistycznego ekwiwalentu masy i energii E = mc2. Wyklucza to wszelką energię potencjalną jaką ciało może posiadać z powodu jego umiejscowienia w zewnętrznym polu grawitacyjnym lub elektrostatycznym, chociaż liczy się energia potencjalna jaką posiada ono w polu z powodu indukowanego elektrycznego lub magnetycznego momentu dipolowego, podobnie jak energia deformacji ciał stałych (naprężenie-odkształcenie).

Zasada ekwipunku energii w klasycznej mechanice statystycznej stwierdza, że każdy stopień swobody molekularnej otrzymuje 1/2 kT energii, co zostało zmodyfikowane, gdy mechanika kwantowa wyjaśniła pewne anomalie; np. w obserwowanych specyficznych temperaturach kryształów (gdy hν > kT). W przypadku monatomowego helu i innych gazów szlachetnych, wewnętrzna energia składa się tylko z translacyjnej energii kinetycznej poszczególnych atomów. Cząsteczki monatomowe oczywiście nie obracają się (sensownie) ani nie drgają i nie są elektronicznie pobudzane do wyższych energii z wyjątkiem bardzo wysokich temperatur.

Z punktu widzenia mechaniki statystycznej, energia wewnętrzna jest równa średniej zespołowej całkowitej energii układu.

Pytania i odpowiedzi

P: Jakim symbolem oznaczana jest energia wewnętrzna?

O: Symbolem używanym do oznaczania energii wewnętrznej jest U, lub czasami E.

P: Jaki rodzaj energii obejmuje energia wewnętrzna?

O: Energia wewnętrzna obejmuje energię kinetyczną wynikającą z ruchu cząsteczek (translacyjnego, rotacyjnego, wibracyjnego) oraz energię potencjalną związaną z energią wibracyjną i elektryczną atomów w cząsteczkach lub kryształach. Obejmuje ona również energię wszystkich wiązań chemicznych i elektronów swobodnego przewodnictwa w metalach.

P: Czy energia wewnętrzna jest funkcją stanu?

O: Tak, energia wewnętrzna jest potencjałem termodynamicznym i funkcją stanu układu.

P: Jaką jednostkę stosuje się do pomiaru energii wewnętrznej?

O: Jednostką SI do pomiaru energii wewnętrznej jest dżul, chociaż inne jednostki historyczne, takie jak kaloria, są nadal używane.

P: Jak entropia wpływa na energię wewnętrzną?

O: Dla zamkniętego układu termodynamicznego utrzymywanego przy stałej entropii, jego energie wewnętrzne będą minimalne.

P: Czy można obliczyć energie wewnętrzne promieniowania elektromagnetycznego lub promieniowania ciała doskonale czarnego?

O: Tak, można obliczyć energie wewnętrzne promieniowania elektromagnetycznego lub promieniowania ciała doskonale czarnego.

P: Czy etykiety żywności są dokładne, gdy podają kalorie?

O: Nie, etykiety na produktach spożywczych nie są dokładne, ponieważ podają kalorie w kilogramach.