内部エネルギー（物理学）：定義、式、計算方法

「エネルギー」という言葉を考えるとき、おそらく動く物体の運動エネルギーのようなもの、あるいは重力によって何かが持つ可能性のある位置エネルギーのようなものを思い浮かべるでしょう。

しかし、微視的スケールでは、内部エネルギーオブジェクトが所有するものは、これらの巨視的な形のエネルギーよりも重要です。 このエネルギーは最終的に分子の運動から生じます。理想気体などの単純化された閉鎖系を検討すると、一般に理解と計算が容易になります。

内部エネルギーは、分子の閉鎖系の総エネルギー、または物質の分子運動エネルギーと位置エネルギーの合計です。 巨視的な運動エネルギーと位置エネルギーは、内部エネルギーには関係ありません。 閉鎖系全体またはその重力ポテンシャルエネルギーを変更しても、内部エネルギーは 同じ。

微視的システムに期待されるように、多数の分子の運動エネルギーとそれらの位置エネルギーを計算することは、実際には不可能ではないにしても、困難な作業になります。 したがって、実際には、内部エネルギーの計算には、直接計算するという骨の折れるプロセスではなく、平均が含まれます。

特に有用な簡略化の1つは、ガスを「理想気体」として扱うことです。これは、分子間力がなく、したがって位置エネルギーが本質的にないと想定されています。 これにより、システムの内部エネルギーを計算するプロセスがはるかに簡単になり、多くのガスについて正確とはほど遠いものになります。

内部エネルギーは、熱エネルギーと呼ばれることもあります。これは、温度が本質的に システムの内部エネルギー–システム内の分子の平均運動エネルギーとして定義されます。

内部エネルギー方程式は状態関数です。つまり、特定の時間におけるその値は、システムがどのように到達したかではなく、システムの状態に依存します。 内部エネルギーの場合、方程式は閉鎖系のモル数（または分子）とケルビン単位の温度に依存します。

理想気体の内部エネルギーには、最も単純な方程式の1つがあります。

どこnモル数です、Rは普遍的な気体定数であり、Tシステムの温度です。 気体定数の値はR= 8.3145 J mol⁻¹ K⁻¹、またはケルビンあたり1モルあたり約8.3ジュール。 これにより、Uジュールで、あなたがエネルギーの値に期待するように、そしてそれはより高い温度とより多くのモルの物質がより高い内部エネルギーにつながるという点で理にかなっています。

熱力学の第1法則は、内部エネルギーを扱うときに最も役立つ方程式の1つであり、次のように述べています。 システムの内部エネルギーの変化は、システムに追加された熱からシステムによって行われた仕事を差し引いたものに等しいこと （または、プラス行われた作業オンシステム）。 シンボルでは、これは次のとおりです。

この方程式は、熱伝達と行われた作業を知っている（または計算できる）場合、非常に簡単に使用できます。 ただし、多くの状況では、事態はさらに単純化されます。 等温プロセスでは、温度は一定であり、内部エネルギーは状態関数であるため、内部エネルギーの変化はゼロであることがわかります。 断熱プロセスでは、システムとその周囲の間に熱伝達がないため、Qは0であり、方程式は次のようになります。

等圧プロセスは、一定の圧力で発生するプロセスです。これは、実行される作業が、圧力に体積の変化を掛けたものに等しいことを意味します。W​ = ​P​∆​V. 定積過程は一定の量で発生し、これらの場合W= 0. これにより、内部エネルギーの変化は、システムに追加された熱と等しくなります。

これらの方法のいずれかで問題を単純化できない場合でも、多くのプロセスでは、作業が行われていないか、 それは簡単に計算できるので、得られるまたは失われる熱の量を見つけることがあなたがする必要がある主なことです 行う。