Vnútorná energia

Autor: Leandro Alegsa Dátum vytvorenia: 11. októbra 2021

V termodynamike je vnútorná energia termodynamického systému alebo telesa s presne vymedzenými hranicami, označovaná U alebo niekedy E, súčtom kinetickej energie spôsobenej pohybom molekúl (translačným, rotačným, vibračným) a potenciálnej energie spojenej s vibračnou a elektrickou energiou atómov v molekulách alebo kryštáloch. Zahŕňa energiu všetkých chemických väzieb a energiu voľných, vodivostných elektrónov v kovoch.

Vnútorná energia je termodynamický potenciál a pre uzavretý termodynamický systém s konštantnou entropiou je minimalizovaná.

Možno tiež vypočítať vnútornú energiu elektromagnetického žiarenia alebo žiarenia čierneho telesa. Je to stavová funkcia systému, rozsiahla veličina. Jednotkou energie v sústave SI je joule, hoci sa stále používajú aj iné historické, konvenčné jednotky, napríklad (malá a veľká) kalória pre teplo. (Kalórie, ktoré sú na klasických etiketách potravín, sú v skutočnosti kilokalórie.)

Prehľad

Vnútorná energia nezahŕňa translačnú alebo rotačnú kinetickú energiu telesa ako celku. Nezahŕňa ani relativistický ekvivalent hmotnosti a energie E = mc2. Nezahŕňa žiadnu potenciálnu energiu, ktorú môže mať teleso v dôsledku svojej polohy vo vonkajšom gravitačnom alebo elektrostatickom poli, hoci potenciálna energia, ktorú má v poli v dôsledku indukovaného elektrického alebo magnetického dipólového momentu, sa započítava, rovnako ako energia deformácie telies (napätie-deformácia).

Princíp rovnomerného rozdelenia energie v klasickej štatistickej mechanike hovorí, že každý molekulárny stupeň voľnosti dostáva 1/2 kT energie, pričom tento výsledok bol upravený, keď kvantová mechanika vysvetlila určité anomálie, napr. v pozorovaných špecifických teplotách kryštálov (keď hν > kT). V prípade jednoatómového hélia a iných vzácnych plynov pozostáva vnútorná energia len z translačnej kinetickej energie jednotlivých atómov. Monatomické častice samozrejme (rozumne) nerotujú ani nevibrujú a nie sú elektronicky excitované na vyššie energie s výnimkou veľmi vysokých teplôt.

Z hľadiska štatistickej mechaniky sa vnútorná energia rovná priemeru celkovej energie systému.

Otázky a odpovede

Otázka: Aký symbol sa používa na označenie vnútornej energie?

Odpoveď: Na označenie vnútornej energie sa používa symbol U alebo niekedy E.

Otázka: Aký druh energie zahŕňa vnútorná energia?

Odpoveď: Vnútorná energia zahŕňa kinetickú energiu spôsobenú pohybom molekúl (translačným, rotačným, vibračným) a potenciálnu energiu spojenú s vibračnou a elektrickou energiou atómov v molekulách alebo kryštáloch. Zahŕňa aj energiu všetkých chemických väzieb a voľných elektrónov vedenia v kovoch.

Otázka: Je vnútorná energia stavovou funkciou?

Odpoveď: Áno, vnútorná energia je termodynamický potenciál a stavová funkcia systému.

Otázka: Aká jednotka sa používa na meranie vnútornej energie?

Odpoveď: Jednotkou SI na meranie vnútornej energie je joule, hoci sa stále používajú aj iné historické jednotky, napríklad kalórie.

Otázka: Ako ovplyvňuje entropia vnútornú energiu?

Odpoveď: V prípade uzavretého termodynamického systému, ktorý je udržiavaný na konštantnej entropii, budú jeho vnútorné energie minimalizované.

Otázka: Môžete vypočítať vnútorné energie elektromagnetického žiarenia alebo žiarenia čierneho telesa?

Odpoveď: Áno, je možné vypočítať vnútorné energie elektromagnetického žiarenia alebo žiarenia čierneho telesa.

Otázka: Sú etikety na potravinách presné, keď uvádzajú kalórie?

Odpoveď: Nie, etikety na potravinách nie sú presné, keď uvádzajú kalórie, pretože v skutočnosti sa namiesto nich uvádzajú kilokalórie.