Sisäenergia
Termodynamiikassa termodynaamisen systeemin tai kappaleen, jolla on tarkoin määritellyt rajat, sisäinen energia, jota merkitään U:lla tai joskus E:llä, on molekyylien liikkeestä (translaatio-, rotaatio- ja värähtelyliikkeestä) johtuvan kineettisen energian ja molekyylien tai kiteiden sisällä olevien atomien värähtely- ja sähköenergian potentiaalienergian summa. Se sisältää kaikkien kemiallisten sidosten energian ja metallien vapaiden, johtavien elektronien energian.
Sisäenergia on termodynaaminen potentiaali, ja suljetussa termodynaamisessa järjestelmässä, jonka entropia pysyy vakiona, se minimoidaan.
Myös sähkömagneettisen tai mustan kappaleen säteilyn sisäenergia voidaan laskea. Se on systeemin tilafunktio, laaja suure. Energian SI-yksikkö on joule, vaikka muita historiallisia, perinteisiä yksiköitä on edelleen käytössä, kuten (pieni ja suuri) kalori lämmön osalta. (Kalorit, jotka ovat klassisissa elintarvikkeiden merkinnöissä, ovat itse asiassa kilokaloreita).
Yleiskatsaus
Sisäiseen energiaan ei sisälly koko kappaleen translaatio- tai rotaatiokineettinen energia. Se ei myöskään sisällä relativistista massa-energiaekvivalenttia E = mc2. Se ei sisällä potentiaalienergiaa, joka kappaleella voi olla sen sijainnin vuoksi ulkoisessa gravitaatio- tai sähköstaattisessa kentässä, vaikka potentiaalienergia, joka kappaleella on kentässä indusoidun sähköisen tai magneettisen dipolimomentin vuoksi, lasketaan mukaan, samoin kuin kiinteän aineen muodonmuutosenergia (jännitys-venymä).
Klassisen tilastollisen mekaniikan energian tasajakautumisen periaate sanoo, että jokainen molekyylin vapausaste saa 1/2 kT energiaa. Tulosta muutettiin, kun kvanttimekaniikka selitti tietyt poikkeavuudet, esimerkiksi havaitut kiteiden ominaislämmöt (kun hν > kT). Yksiatomisella heliumilla ja muilla jalokaasuilla sisäinen energia koostuu ainoastaan yksittäisten atomien translaatiokineettisestä energiasta. Moniatomiset hiukkaset eivät tietenkään (järkevästi) pyöri tai värähtele, eivätkä ne sähköisesti kiihdy korkeampiin energioihin muutoin kuin hyvin korkeissa lämpötiloissa.
Tilastollisen mekaniikan näkökulmasta sisäinen energia on yhtä suuri kuin systeemin kokonaisenergian kokonaiskeskiarvo.
Kysymyksiä ja vastauksia
Kysymys: Mitä symbolia käytetään sisäisen energian merkitsemiseen?
V: Sisäisen energian merkitsemiseen käytetty symboli on U tai joskus E.
K: Minkä tyyppistä energiaa sisäinen energia sisältää?
V: Sisäinen energia sisältää molekyylien liikkeestä (translaatio-, rotaatio- ja värähtelyliikkeestä) johtuvan kineettisen energian sekä potentiaalienergian, joka liittyy atomien värähtely- ja sähköenergiaan molekyyleissä tai kiteissä. Se sisältää myös kaikkien kemiallisten sidosten energian ja metallien elektronien vapaan johtumisen energian.
Kysymys: Onko sisäinen energia tilafunktio?
V: Kyllä, sisäenergia on termodynaaminen potentiaali ja systeemin tilafunktio.
K: Mitä yksikköä käytetään sisäisen energian mittaamiseen?
V: Sisäisen energian mittaamiseen käytettävä SI-yksikkö on joule, vaikka muita historiallisia yksiköitä, kuten kaloreita, käytetään edelleen.
K: Miten entropia vaikuttaa sisäisiin energioihin?
V: Suljetussa termodynaamisessa systeemissä, jonka entropia pysyy vakiona, sen sisäiset energiat ovat mahdollisimman pienet.
K: Voiko sähkömagneettisen säteilyn tai mustan kappaleen säteilyn sisäiset energiat laskea?
V: Kyllä, sähkömagneettisen säteilyn tai mustan kappaleen säteilyn sisäiset energiat on mahdollista laskea.
K: Ovatko elintarvikkeiden pakkausmerkinnät tarkkoja, kun niissä ilmoitetaan kalorit?
V: Ei, elintarvikkeiden merkinnät eivät ole tarkkoja, kun niissä ilmoitetaan kaloreita, koska niissä viitataan kilokaloreihin.
