Внутрішня енергія – це сумарна енергія, пов'язана з мікроскопічним рухом частинок, які складають систему. Вона включає в себе кінетичну енергію молекул, атомів, іонів та інших частинок, а також потенційну енергію, пов'язану з взаємодією цих частинок.

Внутрішня енергія може бути виміряна в різних одиницях, включаючи:

• Джоуль (Дж) – одиниця енергії в системі SI.
• Електрон-вольт (еВ) – одиниця енергії, зручна для вимірювання енергії на атомному та субатомному рівнях. 1 еВ = 1,602 x 10^-19 Дж.
• Калорія (кал) – одиниця енергії, що раніше була поширена, але зараз у науці не використовується. 1 кал = 4,184 Дж.

У термодинаміці внутрішня енергія зазвичай позначається літерою U. Зміна в ній, ΔU, є важливою величиною при вивченні термодинамічних процесів. ΔU може бути обчислена з використання таких рівнянь:

• Для замкненої системи (без обміну теплом або речовиною із зовнішнім середовищем): ΔU = Q – W
• Для відкритої системи (з обміном теплом або речовиною із зовнішнім середовищем): ΔU = Q – W – ∑(μi * ni)

де:

• Q – кількість теплоти, що надходить у систему
• W – кількість роботи, виконаної системою
• μi – хімічний потенціал i-тої речовини
• ni – кількість молей i-тої речовини

Внутрішня енергія також може бути виражена через температуру, об'єм і тиск системи за допомогою наступних рівнянь:

• Для ідеального газу: U = (3/2) * n * R * T
• Для твердого тіла з постійним об'ємом: U = C * T
• Для рідини з постійним тиском: U = H – p * V

де:

• n – кількість молей газу
• R – універсальна газова стала (8,314 Дж/(моль*K))
• T – температура
• C – теплоємність твердого тіла
• H – ентальпія рідини
• p – тиск
• V – об'єм

Внутрішня енергія є фізичною величиною, що характеризує сукупність усіх видів енергії, пов'язаних з рухом молекул і атомів, що складають систему. Вона залежить від температури, об'єму та стану речовини.

Внутрішню енергію в фізиці позначають латинською літерою U. Залежно від розглядуваної фізичної системи, розрізняють такі види внутрішньої енергії:

• Кінетична енергія — енергія руху молекул та атомів.
• Потенціальна енергія — енергія взаємодії молекул та атомів.
• Електронна енергія — енергія електронів, які обертаються навколо атомних ядер.
• Енергія коливань — енергія, пов'язана з коливаннями атомів та молекул.
• Внутрішня енергія ядра — енергія, пов'язана з рухом нуклонів (протонів і нейтронів) у ядрі.

Внутрішню енергію вимірюють у одиницях енергії — зазвичай це джоулі (Дж). Оскільки джоуль є досить великою одиницею, часто використовують також кілоджоулі (кДж) або електронвольти (еВ). Наприклад, внутрішня енергія 1 моль води при кімнатній температурі становить приблизно 4,2 кДж.

Для ідеального газу внутрішня енергія визначається тільки його температурою і залежить від числа молей газу. Внутрішня енергія 1 моля ідеального одноатомного газу дорівнює:

U = (3/2) * n * R * T

де:

• n — число молей газу;
• R — універсальна газова стала (R = 8,314 Дж / (моль * К));
• T — температура газу в кельвінах (K).

Для багатоатомних газів внутрішня енергія включає додаткові ступені свободи, що пов'язані з обертанням і коливаннями молекул, і залежить від температури складніше.

Внутрішню енергію системи можна змінити, виконуючи над нею роботу або теплообмін. Якщо над системою виконується додатна робота або вона отримує тепло, її внутрішня енергія збільшується. Якщо ж робота виконується системою або вона віддає тепло, то внутрішня енергія зменшується.

Внутрішня енергія є важливим поняттям у термодинаміці та застосовується для опису різних процесів, що супроводжуються зміною температури та стану речовини.

Думки експертів

Експерт: Андрій Петрович Самойленко, доктор фізико-математичних наук

Внутрішня енергія – фундаментальна властивість усіх макроскопічних фізичних систем, що визначається сумою кінетичних енергій руху мікрочастинок (атомів, молекул, іонів) і потенціальних енергій їх взаємодій. Це важливий параметр, який використовується в різних галузях фізики, інженерії та хімії.

Одиниця вимірювання внутрішньої енергії в Міжнародній системі одиниць (СІ) – джоуль (Дж). Джоуль визначається як робота, яку необхідно виконати силою в один ньютон на відстані один метр.

Вибір джоуля як одиниці внутрішньої енергії виправданий, оскільки внутрішня енергія пов'язана з роботою та теплом. Виконання роботи над системою може збільшити її внутрішню енергію, а передача тепла в систему також призводить до збільшення внутрішньої енергії.

Крім джоуля, іноді також використовують інші одиниці енергії, такі як калорія (кал) або британська теплова одиниця (БТЕ). Одна калорія дорівнює кількості тепла, необхідного для підвищення температури одного грама води на один градус Цельсія. Одна БТЕ дорівнює кількості тепла, необхідного для підвищення температури одного фунта води на один градус Фаренгейта.

Переведення між цими одиницями просте:

• 1 Дж = 0,239 кал
• 1 Дж = 0,000948 БТЕ
• 1 кал = 4,186 Дж
• 1 БТЕ = 1055 Дж

При виконанні розрахунків важливо використовувати узгоджену систему одиниць. Наприклад, якщо ви використовуєте джоулі для внутрішньої енергії, тоді ви також повинні використовувати джоулі для роботи та тепла.

Вимірювання внутрішньої енергії є важливим для розуміння та контролю термодинамічних процесів у різних системах. Знання внутрішньої енергії дозволяє науковцям і інженерам оптимізувати енергоефективність, проектувати теплові двигуни та вивчати теплові властивості речовини.

Відповіді на питання

Запитання 1: Які одиниці вимірювання внутрішньої енергії використовують у фізиці?

Відповідь: У фізиці внутрішня енергія вимірюється в одиницях енергії, найпоширенішими з яких є джоуль (Дж), ерг (ерг), калорія (кал) і британська теплова одиниця (БТЕ).

Запитання 2: Як співвідносяться одиниці внутрішньої енергії між собою?

Відповідь: Переведення між різними одиницями внутрішньої енергії здійснюється за такими співвідношеннями:

• 1 Дж = 10 000 000 ерг
• 1 кал = 4,186 Дж
• 1 БТЕ = 1055 Дж

Запитання 3: Який зв'язок між одиницею енергії електрона та одиницею внутрішньої енергії?

Відповідь: Електрон-вольт (еВ) – одиниця енергії електронів, яка також використовується для вимірювання внутрішньої енергії в атомних та молекулярних системах. 1 еВ дорівнює 1,602 x 10^-19 Дж, що є малим значенням для вимірювання макроскопічної внутрішньої енергії.

Запитання 4: Чи існують безрозмірні величини, що характеризують внутрішню енергію?

Відповідь: Так, для опису зміни внутрішньої енергії використовують безрозмірну величину – теплоємність. Теплоємність – це відношення зміни внутрішньої енергії до зміни температури.

Запитання 5: Чи може внутрішня енергія мати негативне значення?

Відповідь: Ні, внутрішня енергія ніколи не може бути негативною. Оскільки внутрішня енергія – це міра хаотичного руху частинок системи, вона завжди має додатне значення або дорівнює нулю для ідеальних кристалів при абсолютному нулі температури.