Внутренняя энергия

Вну́тренняя энергия

Энергия тела, зависящая только от его внутреннего состояния. Понятие В. э. объединяет все виды энергии тела, за исключением энергии его движения как целого и потенциальной энергии, которой тело может обладать, если оно находится в поле каких-нибудь сил (например, в поле сил тяготения).

Понятие В. э. ввёл У. Томсон (1851), определив изменение В. э. (ΔU) тела (физической системы) в каком-нибудь процессе как алгебраическую сумму количества теплоты Q которой система обменивается в ходе процесса с окружающей средой, и работы А, совершённой системой или произведённой над ней:

ΔU = Q — A (1)

Принято считать работу А положительной, если она производится системой над внешними телами, а количество теплоты Q положительным, если оно передаётся системе. Уравнение (1) выражает Первое начало термодинамики — закон сохранения энергии в применении к процессам, в которых происходит передача теплоты.

Согласно закону сохранения энергии, В. э. является однозначной функцией состояния физической системы, т. е. однозначной функцией независимых переменных, определяющих это состояние, например, температуры Т и объёма V или давления р. Хотя каждая из величин (Q и A) зависит от характера процесса, переводящего систему из состояния с В. э. U₁ в состояние с энергией U₂, однозначность В. э. приводит к тому, что ΔU определяется лишь значениями В. э. в начальном и конечном состояниях: ΔU = U₂ — U₁. Для любого замкнутого процесса, возвращающего систему в первоначальное состояние (U₂ = U₁), изменение В. э. равно нулю и Q = А (см. Круговой процесс).

Изменение В. э. системы в адиабатном процессе (См. Адиабатный процесс) (при отсутствии теплообмена с окружающей средой, т. е. при Q = 0) равно работе, производимой над системой или произведённой системой.

В случае простейшей физической системы — идеального газа (См. Идеальный газ) — изменение В. э., как показывает кинетическая теория газов, сводится к изменению кинетической энергии молекул, определяемой температурой (см. Газы). Поэтому изменение В. э. идеального газа (или близких к нему по свойствам газов с малым межмолекулярным взаимодействием) определяется только изменением его температуры (закон Джоуля). В физических системах, частицы которых взаимодействуют между собой (реальные газы, жидкости, твёрдые тела), В. э. включает также энергию межмолекулярных и внутримолекулярных взаимодействий. В. э. таких систем зависит как от температуры, так и от давления (объёма).

Экспериментально можно определить только прирост или убыль В. э. в физическом процессе (за начало отсчёта можно взять, например, исходное состояние). Методы статистической физики (См. Статистическая физика) позволяют, в принципе, теоретически рассчитать В. э. физической системы, но также лишь с точностью до постоянного слагаемого, зависящего от выбранного нуля отсчёта.

В области низких температур с приближением к абсолютному нулю (—273,16°С) В. э. конденсированных систем (жидких и твёрдых тел) приближается к определённому постоянному значению U ₀, становясь независимой от температуры (см. Третье начало термодинамики). Значение U ₀ может быть принято за начало отсчёта В. э.

В. э. относится к числу основных термодинамических потенциалов (см. Потенциалы термодинамические). Изменение В. э. при постоянных объёме и температуре системы характеризует Тепловой эффект реакции, а производная В. э. по температуре при постоянном объёме определяет Теплоёмкость системы.

Лит. см. при ст. Потенциалы термодинамические.

А. А. Лопаткин.