Energia wewnętrzna
Energia wewnętrzna (U) to całkowita energia wewnętrzna układu fizycznego, obejmująca energię kinetyczną i potencjalną cząsteczek, atomów i jonów wchodzących w jego skład. W termodynamice energia wewnętrzna jest jedną z podstawowych wielkości opisujących stan układu i odgrywa kluczową rolę w pierwszej zasadzie termodynamiki.
Definicja
Energia wewnętrzna definiowana jest jako suma wszystkich form energii mikroskopowych związanych z ruchem i oddziaływaniami cząstek w danym układzie:
- energia kinetyczna cząstek – związana z ich ruchem translacyjnym, orbitalnym i spinnowym (energia kinetyczna);
- energia potencjalna wynikająca z oddziaływań międzycząsteczkowych – np. siły van der Waalsa, wiązania chemiczne (energia potencjalna).
W wyniku przyjęcia przybliżeń makroskopowych, w których szczegóły mikroskopiczne nie są jawnie rozróżniane, energia wewnętrzna jest traktowana jako własność stanu układu.
Zależność od stanu układu
W układzie zamkniętym, czyli takim, w którym nie zachodzi wymiana materii z otoczeniem, energia wewnętrzna jest funkcją rozszerzalnych zmiennych stanu, najczęściej:
- temperatury T,
- objętości V,
- ilości substancji n.
Dla układów otwartych dodatkowo uwzględnia się przepływ masy, co modyfikuje zależności pomiędzy U a pozostałymi własnościami.
Rola w pierwszej zasadzie termodynamiki
W najogólniejszej postaci pierwsza zasada mówi, że zmiana energii wewnętrznej układu jest równa sumie dostarczonego ciepła Q oraz wykonanej przez otoczenie W:
ΔU = Q – W
Warto zauważyć, że znak przy W zależy od przyjętej konwencji: w przyjętym w encyklopedii ujęciu (praca wykonana przez otoczenie na układzie) przyrost energii wewnętrznej jest zwiększany, gdy W jest dodatnie.
Energia wewnętrzna gazu doskonałego
Dla jednorodnego gazu doskonałego energia wewnętrzna zależy wyłącznie od temperatury i liczby moli:
U = n·c_v·T
gdzie c_v to molowa pojemność cieplna przy stałej objętości. Dla jednoskładnikowego gazu jednorodnego w przybliżeniu klasycznym c_v = (f/2)R, przy czym f jest liczbą stopni swobody, a R – stała gazowa.
Składowe energii wewnętrznej
W praktyce rozróżnia się kilka składników energii wewnętrznej:
- Energia translacyjna – związana z ruchem cząstek w przestrzeni; dominująca w gazach.
- Energia rotacyjna – wynikająca z obrotów cząsteczek; istotna w gazach wielomolekularnych.
- Energia wibracyjna – związana z drganiami wiązań chemicznych; znacząca przy wyższych temperaturach.
- Energia elektroniczna – powstająca przy przejściach wewnętrznych elektronów; istotna przy bardzo wysokich temperaturach lub w plasmonach.
- Energia potencjalna układów – oddziaływania międzycząsteczkowe, takie jak wiązania chemiczne, siły van der Waalsa.
Dla ciał stałych i cieczy energia kinetyczna translacyjna jest zazwyczaj pomijalna, a dominują energie wibracyjne i potencjalne.
Pomiar i jednostki
W układzie SI energia wewnętrzna wyrażana jest w dżulach (J). Bezpośredni pomiar U rzadko jest możliwy; najczęściej wyznacza się ją pośrednio, wykorzystując pierwszą zasadę oraz pomiar ciepła i pracy przy dobrze określonych procesach (np. podgrzewanie, sprężanie, rozprężanie izobaryczne).
Zastosowania
Znajomość energii wewnętrznej jest niezbędna w wielu dziedzinach:
- Projektowanie i analiza silników cieplnych oraz turbin (cykle termodynamiczne);
- Modelowanie procesów chemicznych i reakcji egzotermicznych/endotermicznych;
- Badania nad własnościami materiałów w warunkach wysokich temperatur i ciśnień;
- Ocena stabilności termicznej i akumulacji ciepła w systemach energetycznych (np. magazyny ciepła).
Powiązane pojęcia
Więcej informacji można znaleźć w następujących artykułach encyklopedycznych:
Bibliografia
1. J. D. Cutnell, R. A. Johnson, Physics, 10‑wyd., Wiley, 2012.
2. H. B. Callen, Thermodynamics and an Introduction to Thermostatistics, 2‑wyd., Wiley, 1985.
3. R. C. Reed, Statistical Mechanics, 4‑wyd., Cambridge University Press, 2020.
4. P. M. Silberstein, Thermodynamics, Oxford University Press, 2019.