Belső energia
A termodinamikában egy termodinamikai rendszer vagy egy jól meghatározott határokkal rendelkező test belső energiája, amelyet U-val vagy néha E-vel jelölünk, a molekulák mozgásának (transzlációs, rotációs, rezgési) mozgási energiájának és a molekulákon vagy kristályokon belül az atomok rezgési és elektromos energiájához kapcsolódó potenciális energiának az összege. Tartalmazza az összes kémiai kötés energiáját, valamint a fémekben a szabad, vezetőképes elektronok energiáját.
A belső energia egy termodinamikai potenciál, és egy állandó entrópiájú zárt termodinamikai rendszerben ez a potenciál minimalizálódik.
Az elektromágneses vagy feketetest-sugárzás belső energiáját is ki lehet számítani. Ez egy rendszer állapotfüggvénye, egy kiterjedt mennyiség. Az energia SI-egysége a joule, bár más történelmi, hagyományos egységek is használatosak, mint például a (kis- és nagy)kalória a hőre. (A klasszikus élelmiszercímkéken szereplő kalóriák valójában kilokalóriák.)
Áttekintés
A belső energia nem tartalmazza a test egészének transzlációs vagy rotációs mozgási energiáját. Nem tartalmazza továbbá a relativisztikus tömeg-energia egyenértéket E = mc2. Nem tartalmazza a test külső gravitációs vagy elektrosztatikus térben való elhelyezkedése miatt a test potenciális energiáját, bár az indukált elektromos vagy mágneses dipólusmomentum miatt a térben lévő potenciális energia számít, csakúgy, mint a szilárd testek deformációs energiája (feszültség-alakváltozás).
A klasszikus statisztikus mechanika energiaegyenlőségi elve szerint minden molekuláris szabadsági fok 1/2 kT energiát kap; ezt az eredményt módosították, amikor a kvantummechanika megmagyarázott bizonyos anomáliákat, például a kristályok megfigyelt fajhőit (amikor hν > kT). Az egyatomos hélium és más nemesgázok esetében a belső energia csak az egyes atomok transzlációs mozgási energiájából áll. A monatomos részecskék természetesen nem forognak vagy rezegnek (értelemszerűen), és csak nagyon magas hőmérsékleten gerjesztődnek elektronikusan magasabb energiára.
A statisztikus mechanika szempontjából a belső energia egyenlő a rendszer teljes energiájának együttes átlagával.
Kérdések és válaszok
K: Mi a belső energia jelölésére használt szimbólum?
V: A belső energia jelölésére használt szimbólum az U, vagy néha az E.
K: Milyen típusú energiát foglal magában a belső energia?
V: A belső energia magában foglalja a molekulák mozgásából (transzlációs, rotációs, rezgési) eredő kinetikus energiát, valamint a molekulákon vagy kristályokon belül az atomok rezgési és elektromos energiájához kapcsolódó potenciális energiát. Tartalmazza továbbá az összes kémiai kötésben és a fémekben lévő szabad vezetésű elektronokban rejlő energiát.
K: A belső energia egy állapotfüggvény?
V: Igen, a belső energia egy termodinamikai potenciál és egy rendszer állapotfüggvénye.
K: Milyen mértékegységet használnak a belső energia mérésére?
V: A belső energia mérésére az SI-egység a joule, bár más történelmi egységek, például a kalória még mindig használatban vannak.
K: Hogyan befolyásolja az entrópia a belső energiákat?
V: Egy állandó entrópiájú zárt termodinamikai rendszer belső energiái minimálisak lesznek.
K: Ki lehet-e számítani az elektromágneses sugárzás vagy a feketetest-sugárzás belső energiáit?
V: Igen, ki lehet számítani az elektromágneses sugárzás vagy a feketetest-sugárzás belső energiáit.
K: Pontosak-e az élelmiszerek címkéi, amikor kalóriákat sorolnak fel?
V: Nem, az élelmiszercímkék nem pontosak, amikor kalóriákat sorolnak fel, mert valójában kilokalóriákra utalnak ehelyett.
