Översikt

Begreppet inre energi beskriver den sammanlagda energi som finns i ett slutet termodynamiskt system på mikroskopisk nivå. Den brukar betecknas som U eller ibland E och omfattar både rörelseenergi och potentiell energi hos systemets beståndsdelar. I grundläggande beskrivningar i termodynamiken behandlas inre energi som en central tillståndsstorhet för ett termiskt system eller en avgränsad kropp med tydliga gränser.

Vad ingår i inre energi?

Inre energi består av flera bidrag: den kinetiska energi som orsakas av molekylers translationella rörelse samt rotation och vibration, och den potentiella energi som hör ihop med bindningar och elektriska interaktioner. De olika bidragen beskrivs ofta var för sig, till exempel kinetisk energi från translation, rotatorisk energi som kopplas till molekylernas orientering och roterande rörelser, samt vibrationell energi i bindningar. Även elektronisk energi och andra interna nivåer i atomer och kristallgitter räknas till inre energin, liksom energin förenad med elektriska och atomära interaktioner.

Vidare inkluderar inre energi energin i kemiska bindningar och energin hos fria ledningselektroner i metaller. Man kan till exempel skilja mellan energi lagrad i atomer och i kristallstrukturer, eller i specifika kemiska bindningar och elektroniska tillstånd.

Egenskaper och termodynamiska samband

Inre energi är en tillståndsfunktion och en omfattande storhet: dess värde beror endast på systemets tillstånd och ökar med systemets storlek. Som termodynamisk potential har U viktiga samband med andra storheter; under processer med konstant entropi tenderar U att anta ett minimum för ett slutet system. I många sammanhang behandlas också relationen mellan inre energi, värme och arbete enligt första huvudsatsen för termodynamiken: förändringen av den inre energin kan uttryckas i termer av tillfört värme och utfört arbete.

Mätning, enheter och praktiska aspekter

Energi anges i SI-enheten joule, men historiskt och praktiskt används också kalorier i värmehantering. I termodynamiska beräkningar används ofta standardiserade tabeller och modellfunktioner för att bestämma U som funktion av temperatur, tryck eller volym. Inre energi kan också definieras och beräknas för elektromagnetisk strålning eller svartkroppsstrålning, där spektrala egenskaper spelar roll. I fasta och flytande material påverkas U starkt av bindningsstrukturer och fria elektroner, exempelvis i metaller och andra ledande material.

Historia, användning och distinktioner

Begreppet utvecklades när den klassiska kaloriteorin ersattes av energibegrepp knutet till arbete och värme, i arbeten av tidiga termodynamiker och experter på värmelära. Idag används inre energi i både teoretiska och tekniska tillämpningar: från idealgasmodeller och kinetisk teori till materia i fasta former och strålningsfält. Det är viktigt att skilja mellan inre energi och närbesläktade storheter som entalpi eller fria energier (till exempel Helmholtz fri energi); dessa tar hänsyn till ytterligare arbets- eller omgivningsberoenden.

Ytterligare läsning och referenser