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内部エネルギーについて

熱力学の指標として内部エネルギーがあり、任意の系の全エネルギーを内部エネルギーと言います。そこで、内部エネルギーに関して理解を深めることにしましょう。

内部エネルギーについて

熱力学において、系の内部にあるエネルギーを内部エネルギーと呼びます。

個々の物質に関しては力学的エネルギーが適用されますが、個々ではなくて纏まりである系としてエネルギーを考える際に用いられます。

そのため、高さや速さは考慮されません。
 
以下に、内部エネルギーが満たす法則を挙げます。

  • 熱力学第一法則


熱力学第一法則

与えた熱量をQ [J ]として、加えた仕事をW [ J ]とすると、

内部エネルギーの変化 ΔU に関して、ΔU = Q + W という関係式が成り立ちます。

これを、熱力学第一法則と言いますが、エネルギーの保存則になります。

物体に熱を加えられたり、物体に圧縮などの仕事を加えられたりすると、内部エネルギーが増加することになります。

逆に、物体から熱が奪われたり、物体が膨張などの仕事をしたりすると、内部エネルギーが減少することになります。

単原子分子の理想気体の内部エネルギー

ヘリウム、アルゴンなどは不活性ガスが単原子分子となります。
 
T [ K ]での理想気体1 [ mol ]の内部エネルギーUは、分子の運動エネルギーの和より、途中の計算を省略して、

n [ mol ]においてU = ( 3 / 2 ) nRT [ J ]となります。

二原子分子の理想気体の内部エネルギー

酸素分子や窒素分子が二原子分子となります。

二原子分子では、方向性が加味され( 3* 1 / 2 )、更に、2方向に関して回転性も加味される( 2* 1 / 2 )ため、 U = ( 5 / 2 ) nRT [ J ]となります。

まとめ

内部エネルギーは熱力学の基本となるものです。

力学的エネルギーではなく、系の全エネルギーを示しています。

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