Energia wewnętrzna to całkowita energia zawarta wewnątrz układu. Jest właściwością fizyczną o fundamentalnym znaczeniu. Pojawia się we wzorach w teorii termodynamiki, mechanice statystycznej i mechanice kwantowej, które służą do opisu makroskopowych własności materii. Można ją obliczyć za pomocą kilku metod. W tym artykule opiszemy definicję energii wewnętrznej, jednostkę i rodzaje energii wewnętrznych w fizyce.
Co to jest energia wewnętrzna?
Energia wewnętrzna, znana również jako energia termiczna, jest rodzajem energii, która jest związana z ruchem i energią kinetyczną w każdym atomie. W przypadku materiałów stałych, ta energia wewnętrzna jest przechowywana w postaci drgań i rotacji cząsteczek.
Jest sumą wszystkich mikroskopowych form energii w układzie, czyli energii kinetycznej, potencjalnej i termicznej. Jest to zdolność substancji do wykonywania pracy lub przekazywania ciepła wewnątrz siebie.
Energia wewnętrzna może być przekształcona w inne formy energii, takie jak energia mechaniczna, chemiczna czy promieniowania. Obejmuje ona wszystkie mikroskopowe stopnie swobody (tj. energie kinetyczne i potencjalne) cząstek tworzących materię. Na przykład, gdy gorąca woda płynie z kranu i zamienia się w zimną, traci swoją energię wewnętrzną na rzecz otaczającego ją powietrza powodując, że w końcu stygnie, aż jej temperatura ustabilizuje się na poziomie temperatury pokojowej.
Energia wewnętrzna nie obejmuje grawitacyjnej energii potencjalnej, która często jest również nazywana „energią wewnętrzną”.
Energia wewnętrzna – Jednostka
Jednostką stosowaną do pomiaru energii wewnętrznej jest dżul (J). Jeden dżul równa się 1 kg m2 s-2.
Nazwa „dżul” pochodzi od nazwiska angielskiego fizyka Jamesa Prescotta Joule’a (1818-1889). James Joul odkrył, że istnieje związek między ciepłem a pracą mechaniczną. Fizyk ten w 1843 roku po raz pierwszy doświadczalnie udowodnił prawo zachowania energii, a w 1850 roku skonstruował pierwszy praktyczny dynamometr. Prace Joule’a doprowadziły do powstania pierwszych lodówek, silników elektrycznych i generatorów elektrycznych.
Rodzaje energii wewnętrznej
Energia wewnętrzna to całkowita energia układu. Jest ona sumą energii kinetycznej i potencjalnej. Energia wewnętrzna układu może się zmieniać, gdy dodaje się do niego ciepło lub odejmuje pracę.
Kinetyczna energia wewnętrzna
Energia kinetyczna jest definiowana jako praca wykonana przez obiekt w trakcie przemieszczania się z jednego miejsca do drugiego. Na przykład, kiedy samochód porusza się do przodu, wykonuje pracę nad swoim otoczeniem, co powoduje przekazanie energii kinetycznej do otoczenia. Energia kinetyczna zależy zarówno od masy jak i prędkości; wzrasta wraz ze wzrostem masy, podczas gdy prędkość maleje.
Potencjalna energia wewnętrzna
Potencjalna energia wewnętrzna to energia, która zostałaby uwolniona, gdyby układ został doprowadzony do równowagi pod stałym ciśnieniem. Potencjalna energia wewnętrzna obejmuje wszystkie formy energii związane z położeniem, takie jak grawitacyjna energia potencjalna i elastyczna energia potencjalna. Na przykład zwinięta sprężyna ma energię potencjalną, ponieważ może zostać rozciągnięta; piłka na szczycie wzgórza ma energię potencjalną, ponieważ może stoczyć się w dół wzgórza; a ładunek elektryczny ma energię potencjalną, ponieważ może poruszać się w polu elektrycznym.
