Iekšējā enerģija
Termodinamikā termodinamiskas sistēmas jeb ķermeņa ar skaidri noteiktām robežām iekšējā enerģija, ko apzīmē ar U vai dažreiz E, ir kinētiskās enerģijas, ko rada molekulu kustība (translācijas, rotācijas, vibrācijas), un potenciālās enerģijas, kas saistīta ar atomu vibrācijas un elektrisko enerģiju molekulās vai kristālos, summa. Tā ietver visu ķīmisko saišu enerģiju un brīvo, vadītspējas elektronu enerģiju metālos.
Iekšējā enerģija ir termodinamiskais potenciāls, un slēgtai termodinamiskai sistēmai, kurā ir nemainīga entropija, tā būs minimizēta.
Var aprēķināt arī elektromagnētiskā vai melnā ķermeņa starojuma iekšējo enerģiju. Tā ir sistēmas stāvokļa funkcija, ekstensīvs lielums. SI enerģijas mērvienība ir džouls, lai gan joprojām tiek lietotas arī citas vēsturiskas, tradicionālas mērvienības, piemēram, (mazā un lielā) siltumenerģijas mērvienība kalorija. (Kalorijas, kas ir uz klasiskajām pārtikas produktu etiķetēm, patiesībā ir kilokalorijas.)
Pārskats
Iekšējā enerģija neietver ķermeņa tālāko vai rotācijas kinētisko enerģiju. Tā neietver arī relatīvisma masas un enerģijas ekvivalentu E = mc2. Tā neietver potenciālo enerģiju, kas ķermenim var būt tā atrašanās vietas dēļ ārējā gravitācijas vai elektrostatiskajā laukā, lai gan potenciālā enerģija, kas ķermenim ir laukā inducēta elektriskā vai magnētiskā dipola momenta dēļ, tiek ieskaitīta, tāpat kā cietu ķermeņu deformācijas enerģija (spriegums un deformācija).
Klasiskajā statistiskajā mehānikā enerģijas ekvipartīcijas princips nosaka, ka katra molekulārā brīvības pakāpe saņem 1/2 kT enerģijas; šis rezultāts tika mainīts, kad kvantu mehānika izskaidroja dažas anomālijas, piemēram, novērotos kristālu īpatnējos siltumus (kad hν > kT). Monatomā hēlija un citu cēlgāzu iekšējā enerģija sastāv tikai no atsevišķu atomu translācijas kinētiskās enerģijas. Monatomās daļiņas, protams, (saprātīgi) nevērtojas vai vibrē, un tās netiek elektroniski ierosinātas līdz augstākām enerģijām, izņemot ļoti augstās temperatūrās.
No statistiskās mehānikas viedokļa iekšējā enerģija ir vienāda ar sistēmas kopējās enerģijas ansambļa vidējo vērtību.
Jautājumi un atbildes
J: Ar kādu simbolu apzīmē iekšējo enerģiju?
A: Iekšējās enerģijas apzīmēšanai izmanto simbolu U vai dažreiz E.
J: Kāda veida enerģiju ietver iekšējā enerģija?
A: Iekšējā enerģija ietver kinētisko enerģiju, ko rada molekulu kustība (translācijas, rotācijas, vibrācijas), un potenciālo enerģiju, kas saistīta ar atomu vibrācijas un elektrisko enerģiju molekulās vai kristālos. Tā ietver arī enerģiju visās ķīmiskajās saitēs un brīvo vadītspējas elektronu enerģiju metālos.
Vai iekšējā enerģija ir stāvokļa funkcija?
Jā, iekšējā enerģija ir termodinamiskais potenciāls un sistēmas stāvokļa funkcija.
J: Kādu mērvienību izmanto iekšējās enerģijas mērīšanai?
A: Iekšējās enerģijas mērīšanai SI mērvienība ir džouli, lai gan joprojām tiek izmantotas citas vēsturiskas vienības, piemēram, kalorijas.
J: Kā entropija ietekmē iekšējo enerģiju?
A: Slēgtai termodinamiskai sistēmai, kas tiek turēta pie nemainīgas entropijas, tās iekšējās enerģijas būs minimālas.
Vai var aprēķināt elektromagnētiskā starojuma vai melnā ķermeņa starojuma iekšējās enerģijas?
A: Jā, ir iespējams aprēķināt elektromagnētiskā starojuma vai melnā ķermeņa starojuma iekšējās enerģijas.
J: Vai pārtikas produktu etiķetēs norādītās kalorijas ir precīzas?
A: Nē, pārtikas produktu etiķetēs norādītās kalorijas nav precīzas, jo tās patiesībā norāda uz kilokalorijām.
