Iekšējā enerģija

Iekšējā enerģija fizikā (nepārtrauktas vides fizika, termodinamika, statistiskā fizika) ir termodinamiskas sistēmas pilnās enerģijas daļa, kurā neietilpst sistēmas kustības kinētiskā enerģija un mijiedarbības ar citām sistēmām potenciālā enerģija. Iekšējā enerģija ir makroskopisks lielums, kurš sevī ietver sistēmu veidojošo daļiņu mikroskopiskās kustības enerģiju, mijiedarbības enerģiju (molekulārā pievilkšanās un atgrūšanās), iekšmolekulāro un iekšatomāro ķīmisko enerģiju , kā arī kodolenerģiju, starpmolekulu gravitācijas enerģiju un starojuma enerģiju. To apzīmē ar $U$ .

Termodinamikā ķermeņa iekšējo enerģiju iedala divās daļās: saistītā enerģija, kuras mērs ir siltums, kuru ķermenis izdala izotermiskā procesā, un brīvā enerģija, kuras mērs ir darbs, kuru ķermenis veic izotermiskā procesā.

Iekšējās enerģijas īpašības

• Sistēmai atrodoties termodinamiskajā līdzsvarā, tās iekšējā enerģija ir vienāda ar pilno enerģiju, jo tajā nepastāv makroskopiska kustība un tā nemijiedarbojas ar apkārtējiem ķermeņiem.
• Iekšējā enerģija ir aditīvs lielums, tas ir, termodinamiskas sistēmas iekšējā enerģija ir vienāda ar tās apakšsistēmu iekšējo enerģiju summu.
• Nesaspiestās gāzēs iekšējā enerģija gandrīz nav atkarīga no gāzes blīvuma un ir tikai gāzes temperatūras funkcija.
• Saspiestām gāzēm (sākot jau no dažām atmosfērām) nepieciešams ņemt vērā molekulu (atomu) mijiedarbības enerģiju.
• Cietvielās liela nozīme molekulu (atomu) mijiedarbības enerģijai, molekulas (atomi) nepārvietojas telpā, bet svārstās.
• Normālos šķidrumos (tādos, kur pārvietojas un svārstās katra atsevišķa molekula) molekulu kustības likumsakarības ir nosakāmas vieglāk nekā asociētajos šķidrumos (tādos, kur bez patstāvīgām molekulām ir arī molekulu kompleksi).
• Ķermenim ar normālu vai augstu temperatūru iekšējā enerģija ir proporcionāla temperatūrai.
• Ķermenim tiekot atdzesētam līdz temperatūrai, kas tuva absolūtajai nullei, zūd proporcionalitātes attiecība starp iekšējo enerģiju un temperatūru.

Formulas

Ja neņem vērā iekšmolekulāro (iekšatomāro) enerģiju, tad iekšējo enerģiju $U$ vienam molam gāzes var aprēķināt šādi:

$U={\frac {i}{2}}RT$ , kur $i$ ir brīvības pakāpju skaits, $R$ ir universālā gāzu konstante, $T$ ir absolūtā temperatūra.

Iekšējā enerģija $U$, precīzāk, tās izmaiņa $\Delta U$, pirmā termodinamikas likuma izteiksmēs:

$\Delta U=Q+A$ , kur $Q$ ir termodinamiskai sistēmai pievadītā siltuma daudzums, $A$ ir sistēmai pieliktais darbs ;

$Q=\Delta U+A$, kur $Q$ ir termodinamiskai sistēmai pievadītā siltuma daudzums, $A$ ir sistēmas veiktais darbs .

Vēsture

Izpratnes par iekšējo enerģiju veidošanos ilgstoši kavēja aplamais pieņēmums par siltumraža esamību (18. — 19. gs.). Gan siltumraža teorijas laikā, gan pēc tās (šo teoriju aizstāja molekulāri kinētiskā teorija) mēdz veidoties nepareizs priekštats par siltumu kā par kaut ko ķermenī esošu. Pēc molekulāri kinētiskās teorijas nostiprināšanās (19. gs. 2. puse) iekšējā enerģija tika saukta dažādi, piemēram, "ķermeņa enerģija" (Klauziuss), "ķermeņa mehāniskā enerģija dotajā stāvoklī" (lords Kelvins), "ķermeņa iekšējais siltums", "ķermeņa iekšējais darbs" (Ceiners), "darbības funkcija" (Kirhofs).

Skatīt arī

• Termodinamika
• Molekulāri kinētiskā teorija
• Pirmais termodinamikas likums