Εσωτερική ενέργεια
Στη θερμοδυναμική, η εσωτερική ενέργεια ενός θερμοδυναμικού συστήματος ή ενός σώματος με σαφώς καθορισμένα όρια, που συμβολίζεται με U ή μερικές φορές με Ε, είναι το σύνολο της κινητικής ενέργειας που οφείλεται στην κίνηση των μορίων (μεταφορική, περιστροφική, δονητική) και της δυναμικής ενέργειας που σχετίζεται με τη δονητική και ηλεκτρική ενέργεια των ατόμων μέσα στα μόρια ή τους κρυστάλλους. Περιλαμβάνει την ενέργεια σε όλους τους χημικούς δεσμούς και την ενέργεια των ελεύθερων ηλεκτρονίων αγωγής στα μέταλλα.
Η εσωτερική ενέργεια είναι ένα θερμοδυναμικό δυναμικό και για ένα κλειστό θερμοδυναμικό σύστημα που διατηρείται σε σταθερή εντροπία, θα ελαχιστοποιηθεί.
Μπορεί επίσης να υπολογιστεί η εσωτερική ενέργεια της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας ή της ακτινοβολίας μέλανος σώματος. Πρόκειται για μια συνάρτηση κατάστασης ενός συστήματος, μια εκτεταμένη ποσότητα. Η μονάδα SI για την ενέργεια είναι το joule, αν και άλλες ιστορικές, συμβατικές μονάδες εξακολουθούν να χρησιμοποιούνται, όπως η (μικρή και μεγάλη) θερμίδα για τη θερμότητα. (Οι θερμίδες που αναγράφονται στις κλασικές ετικέτες τροφίμων είναι στην πραγματικότητα χιλιοθερμίδες).
Επισκόπηση
Η εσωτερική ενέργεια δεν περιλαμβάνει τη μεταφορική ή περιστροφική κινητική ενέργεια ενός σώματος στο σύνολό του. Δεν περιλαμβάνει επίσης το σχετικιστικό ισοδύναμο μάζας-ενέργειας E = mc2. Δεν περιλαμβάνει οποιαδήποτε δυνητική ενέργεια που μπορεί να έχει ένα σώμα λόγω της θέσης του σε εξωτερικό βαρυτικό ή ηλεκτροστατικό πεδίο, αν και η δυνητική ενέργεια που έχει σε ένα πεδίο λόγω μιας επαγόμενης ηλεκτρικής ή μαγνητικής διπολικής ροπής μετράει, όπως και η ενέργεια παραμόρφωσης των στερεών σωμάτων (τάσεις-παραμορφώσεις).
Η αρχή της ισοκατανομής της ενέργειας στην κλασική στατιστική μηχανική ορίζει ότι κάθε μοριακός βαθμός ελευθερίας λαμβάνει 1/2 kT ενέργειας, ένα αποτέλεσμα που τροποποιήθηκε όταν η κβαντομηχανική εξήγησε ορισμένες ανωμαλίες, π.χ. στις παρατηρούμενες ειδικές θερμότητες των κρυστάλλων (όταν hν > kT). Για το μονοατομικό ήλιο και άλλα ευγενή αέρια, η εσωτερική ενέργεια αποτελείται μόνο από τη μεταφορική κινητική ενέργεια των μεμονωμένων ατόμων. Τα μονοατομικά σωματίδια, φυσικά, δεν περιστρέφονται (λογικά) ούτε δονούνται και δεν διεγείρονται ηλεκτρονικά σε υψηλότερες ενέργειες παρά μόνο σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες.
Από τη σκοπιά της στατιστικής μηχανικής, η εσωτερική ενέργεια είναι ίση με το μέσο όρο του συνόλου της συνολικής ενέργειας του συστήματος.
Ερωτήσεις και απαντήσεις
Ερ: Ποιο είναι το σύμβολο που χρησιμοποιείται για να δηλώσει την εσωτερική ενέργεια;
Α: Το σύμβολο που χρησιμοποιείται για να δηλώσει την εσωτερική ενέργεια είναι το U, ή μερικές φορές το Ε.
Ερ: Τι είδους ενέργεια περιλαμβάνει η εσωτερική ενέργεια;
A: Η εσωτερική ενέργεια περιλαμβάνει την κινητική ενέργεια που οφείλεται στην κίνηση των μορίων (μεταφορική, περιστροφική, δονητική) και τη δυνητική ενέργεια που σχετίζεται με τη δονητική και ηλεκτρική ενέργεια των ατόμων εντός των μορίων ή των κρυστάλλων. Περιλαμβάνει επίσης την ενέργεια σε όλους τους χημικούς δεσμούς και τα ηλεκτρόνια ελεύθερης αγωγής στα μέταλλα.
Ερ: Είναι η εσωτερική ενέργεια μια συνάρτηση κατάστασης;
Α: Ναι, η εσωτερική ενέργεια είναι ένα θερμοδυναμικό δυναμικό και μια συνάρτηση κατάστασης ενός συστήματος.
Ερ: Ποια μονάδα χρησιμοποιείται για τη μέτρηση της εσωτερικής ενέργειας;
Α: Η μονάδα SI για τη μέτρηση της εσωτερικής ενέργειας είναι τα τζάουλ, αν και άλλες ιστορικές μονάδες, όπως οι θερμίδες, εξακολουθούν να χρησιμοποιούνται.
Ερ: Πώς επηρεάζει η εντροπία τις εσωτερικές ενέργειες;
Α: Για ένα κλειστό θερμοδυναμικό σύστημα που διατηρείται σε σταθερή εντροπία, οι εσωτερικές του ενέργειες ελαχιστοποιούνται.
Ερ: Μπορείτε να υπολογίσετε τις εσωτερικές ενέργειες της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας ή της ακτινοβολίας μέλανος σώματος;
Α: Ναι, είναι δυνατόν να υπολογιστούν οι εσωτερικές ενέργειες της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας ή της ακτινοβολίας μέλανος σώματος.
Ερ: Είναι ακριβείς οι ετικέτες τροφίμων όταν αναγράφουν θερμίδες;
Α: Όχι, οι ετικέτες τροφίμων δεν είναι ακριβείς όταν αναγράφουν θερμίδες, επειδή στην πραγματικότητα αναφέρονται σε χιλιοθερμίδες αντί για θερμίδες.
