Năng lượng nội tại

Trong lĩnh vực nhiệt động lực học, nội năng (U) của một hệ thống là tổng năng lượng hiện có trong hệ, không bao gồm động năng của chuyển động và thế năng từ các lực bên ngoài. Nội năng chỉ phản ánh sự thay đổi năng lượng do biến đổi trạng thái bên trong của hệ. Cụ thể, nó là tổng động năng và thế năng của các phân tử cấu thành vật thể. Nhiệt độ càng cao, nội năng của vật càng lớn.

Nội năng của hệ có thể thay đổi thông qua việc truyền nhiệt hoặc khi thực hiện công. Nhiệt lượng đo lường sự thay đổi nội năng trong quá trình truyền nhiệt: $\mathrm{\Delta <!--\; \Delta \; -->}U=Q$

Công thức tính nhiệt lượng:

$Q=mc\mathrm{\Delta <!--\; \Delta \; -->}T$

Bao gồm:

Q: nhiệt lượng sinh ra hoặc hấp thụ

m: khối lượng (kg)

c: nhiệt dung riêng của vật liệu (J/kg.K)

$\mathrm{\Delta <!--\; \Delta \; -->}T$: sự thay đổi nhiệt độ (K)

Khi chất bị cản trở bởi một bức tường không cho phép truyền qua, hệ thống được coi là kín. Theo định luật I của nhiệt động lực học, sự gia tăng nội năng bằng tổng nhiệt lượng thêm vào cộng với công tác từ môi trường xung quanh. Nếu bức tường không cho phép cả vật chất và năng lượng đi qua, hệ thống được coi là cách biệt và nội năng không thay đổi. Định luật I xác nhận sự tồn tại của nội năng.

Nội năng là một trong hai hàm trạng thái cơ bản của biến trạng thái trong hệ nhiệt động lực học.

Mô tả và định nghĩa

Nội năng U của trạng thái hiện tại của hệ được xác định bằng nội năng của trạng thái chuẩn, cộng với sự truyền năng lượng vĩ mô từ trạng thái tham chiếu đến trạng thái hiện tại:

$\mathrm{\Delta <!--\; \Delta \; -->}U=\underset{i}{\sum <!--\; \sum \; -->}{E}_i$

Với ΔU đại diện cho sự khác biệt giữa nội năng của trạng thái hiện tại và trạng thái chuẩn, và Ei là các dạng năng lượng khác nhau được cung cấp cho hệ trong quá trình chuyển từ trạng thái chuẩn đến trạng thái hiện tại. Đây là năng lượng cần thiết để chuyển từ trạng thái chuẩn sang trạng thái hiện tại.

Từ góc độ vi mô không liên quan, nội năng có thể được phân chia thành thế năng vi mô (tnvm), U_tnvn, và động năng vi mô (dnvm), U_dnvm, với tổng hợp thành:

$U=U_{tnvn}+U_{dnvm}$

Thế năng vi mô của hệ được tính bằng tổng chuyển động của tất cả các hạt trong hệ so với một điểm tham chiếu, không phân biệt giữa nguyên tử, phân tử, nguyên tử hạt nhân, hạt electron, hay các loại hạt khác. Các thành phần chính của thế năng vi mô bao gồm các liên kết hóa học và nguyên tử, cũng như các trường lực vật lý trong hệ như cảm ứng điện bên trong hoặc mô men lưỡng cực từ, cùng với năng lượng biến dạng của chất rắn (ứng suất-sức căng). Phân chia thành động năng và thế năng vi mô thường không nằm trong phạm vi nghiên cứu của nhiệt động lực học vĩ mô.

Nội năng trong khí lý tưởng

Nội năng của n mol khí lý tưởng được biểu diễn bằng công thức: $U=n{C}_{V}T$. Trong đó $C_V$ đại diện cho nhiệt dung mol đẳng tích của khí, và T là nhiệt độ (K)

• Nhiệt năng