Внутренняя энергия тела кр (обозначается как E или U) - полная энергия термодинамической системы за исключением ее кинетической энергии как целого и потенциальной энергии тела в поле внешних сил. Внутренняя энергия состоит из кинетической энергии хаотического движения молекул, потенциальной энергии взаимодействия между ними и внутримолекулярной энергии.

Внутренняя энергия является однозначной функцией равновесного состояния системы. Это означает, что каждый раз, когда система оказывается в данном равновесном состоянии, ее внутренняя энергия принимает присущее этому состоянию значение, независимо от предыстории системы. Следовательно, изменение внутренней энергии при переходе из одного состояния в другое будет всегда равняться разнице значений в этих состояниях, независимо от пути, по которому осуществлялся переход. Внутреннюю энергию тела нельзя измерить напрямую. Можно определить только изменение внутренней энергии:

\ Delta U = Q + A ^ \ prime \, ,

где \ Q - количество теплоты, передана термодинамической системе, A ^ \ prime - работа, выполненная над термодинамической системой [1] или:

\ Delta U = Q - A \, ,

где A = - A ^ \ prime , Работа выполнена термодинамической системой.


1. Внутренняя энергия, как термодинамический потенциал

Поскольку внутренняя энергия является функцией состояния, то ее можно определить как термодинамический потенциал, зависящий от объема, числа частиц в системе, и энтропии : U (V, S, N).

Для квазистатических процессов выполняется соотношение:

dU = TdS - PdV + \ mu dN \,

где T - температура, S - энтропия, P - давление, μ - химический потенциал, N - количество частиц в системе.


2. Примеры

2.1. Классический идеальный газ

В рамках молекулярно-кинетической теории внутренняя энергия одноатомного идеального газа определяется формулой

U = \ frac {3} {2} k_B NT ,

где k_B - постоянная Больцмана. Она является средней кинетической энергией атома, умноженной на килькиcть атомов [2].

Для одного моля газа

U = \ frac {3} {2} R T ,

где R - газовая постоянная.


См.. также

Примечания

  1. Обозначение \ Delta принято использовать потому, что существует много различных процессов, которыми можно перевести термодинамическую систему из начального состояния в конечное
  2. Для того, чтобы использовать это выражение как термодинамический потенциал нужно выразить температуру через энтропию и объем.