Vnitřní energie

Autor: Leandro Alegsa Datum vytvoření: 11. října 2021

V termodynamice je vnitřní energie termodynamického systému nebo tělesa s přesně vymezenými hranicemi, označovaná U nebo někdy E, souhrnem kinetické energie způsobené pohybem molekul (translační, rotační, vibrační) a potenciální energie spojené s vibrační a elektrickou energií atomů v molekulách nebo krystalech. Zahrnuje energii všech chemických vazeb a energii volných, vodivostních elektronů v kovech.

Vnitřní energie je termodynamický potenciál a pro uzavřený termodynamický systém udržovaný při konstantní entropii bude minimalizována.

Lze také vypočítat vnitřní energii elektromagnetického záření nebo záření černého tělesa. Je to stavová funkce systému, rozsáhlá veličina. Jednotkou energie v soustavě SI je joule, i když se stále používají i jiné historické, konvenční jednotky, jako je (malá a velká) kalorie pro teplo. (Kalorie, které jsou na klasických etiketách potravin, jsou ve skutečnosti kilokalorie.)

Přehled

Vnitřní energie nezahrnuje translační nebo rotační kinetickou energii tělesa jako celku. Nezahrnuje ani relativistický ekvivalent energie hmoty a energie E = mc2. Nezahrnuje žádnou potenciální energii, kterou může těleso mít kvůli své poloze ve vnějším gravitačním nebo elektrostatickém poli, ačkoli potenciální energie, kterou má v poli v důsledku indukovaného elektrického nebo magnetického dipólového momentu, se započítává, stejně jako energie deformace těles (napětí-deformace).

Princip rovnoměrného rozdělení energie v klasické statistické mechanice říká, že každý molekulární stupeň volnosti obdrží 1/2 kT energie, což je výsledek, který byl modifikován, když kvantová mechanika vysvětlila některé anomálie; např. v pozorovaných měrných teplotách krystalů (když hν > kT). U monatomického helia a dalších vzácných plynů se vnitřní energie skládá pouze z translační kinetické energie jednotlivých atomů. Monatomické částice samozřejmě (rozumně) nerotují ani nevibrují a nejsou elektronicky excitovány na vyšší energie s výjimkou velmi vysokých teplot.

Z hlediska statistické mechaniky se vnitřní energie rovná průměru celkové energie systému.

Otázky a odpovědi

Otázka: Jaký symbol se používá pro označení vnitřní energie?

A: Symbol používaný pro označení vnitřní energie je U nebo někdy E.

Otázka: Jaký typ energie zahrnuje vnitřní energie?

Odpověď: Vnitřní energie zahrnuje kinetickou energii způsobenou pohybem molekul (translační, rotační, vibrační) a potenciální energii spojenou s vibrační a elektrickou energií atomů v molekulách nebo krystalech. Zahrnuje také energii ve všech chemických vazbách a volné vodivé elektrony v kovech.

Otázka: Je vnitřní energie stavovou funkcí?

Odpověď: Ano, vnitřní energie je termodynamický potenciál a stavová funkce systému.

Otázka: Jaká jednotka se používá pro měření vnitřní energie?

Odpověď: Jednotkou SI pro měření vnitřní energie je joule, i když se stále používají i jiné historické jednotky, například kalorie.

Otázka: Jak ovlivňuje entropie vnitřní energii?

Odpověď: U uzavřeného termodynamického systému, který je udržován na konstantní entropii, jsou jeho vnitřní energie minimální.

Otázka: Lze vypočítat vnitřní energie elektromagnetického záření nebo záření černého tělesa?

Odpověď: Ano, je možné vypočítat vnitřní energie elektromagnetického záření nebo záření černého tělesa.

Otázka: Jsou etikety na potravinách přesné, když uvádějí kalorie?

Odpověď: Ne, etikety na potravinách nejsou přesné, pokud uvádějí kalorie, protože ve skutečnosti se vztahují na kilokalorie.