Innere Energie

Autor: Leandro Alegsa Erstellungsdatum: 3. November 2020

In der Thermodynamik ist die innere Energie eines thermodynamischen Systems oder eines Körpers mit wohldefinierten Grenzen, bezeichnet mit U oder manchmal E, die Summe der kinetischen Energie aufgrund der Bewegung von Molekülen (translatorisch, rotatorisch, schwingend) und der potentiellen Energie, die mit der Schwingungs- und elektrischen Energie von Atomen innerhalb von Molekülen oder Kristallen verbunden ist. Sie umfasst die Energie in allen chemischen Bindungen und die Energie der freien Leitungselektronen in Metallen.

Die interne Energie ist ein thermodynamisches Potential, und für ein geschlossenes thermodynamisches System, das auf konstanter Entropie gehalten wird, wird sie minimiert.

Man kann auch die innere Energie von elektromagnetischer oder Schwarzkörperstrahlung berechnen. Sie ist eine Zustandsfunktion eines Systems, eine umfangreiche Größe. Die SI-Einheit der Energie ist das Joule, obwohl andere historische, konventionelle Einheiten immer noch gebräuchlich sind, wie z.B. die (kleine und große) Kalorie für Wärme. (Kalorien, die auf klassischen Lebensmitteletiketten stehen, sind eigentlich Kilokalorien).

Übersicht

Die innere Energie umfasst nicht die translatorische oder rotatorische kinetische Energie eines Körpers als Ganzes. Sie beinhaltet auch nicht das relativistische Masse-Energie-Äquivalent E = mc2. Sie schließt jegliche potentielle Energie aus, die ein Körper aufgrund seiner Lage im äußeren Gravitations- oder elektrostatischen Feld haben kann, obwohl die potentielle Energie, die er in einem Feld aufgrund eines induzierten elektrischen oder magnetischen Dipolmoments hat, ebenso zählt wie die Energie der Verformung von Festkörpern (Spannungs-Dehnung).

Das Prinzip der Gleichverteilung der Energie in der klassischen statistischen Mechanik besagt, dass jeder molekulare Freiheitsgrad 1/2 kT Energie erhält, ein Ergebnis, das modifiziert wurde, als die Quantenmechanik bestimmte Anomalien erklärte; z.B. in den beobachteten spezifischen Erwärmungen von Kristallen (wenn hν > kT). Bei einatomigem Helium und anderen Edelgasen besteht die innere Energie nur aus der translatorischen kinetischen Energie der einzelnen Atome. Monatomare Teilchen rotieren oder schwingen natürlich nicht (sensibel) und werden außer bei sehr hohen Temperaturen nicht elektronisch zu höheren Energien angeregt.

Aus der Sicht der statistischen Mechanik ist die innere Energie gleich dem Ensembledurchschnitt der Gesamtenergie des Systems.

Fragen und Antworten

F: Welches Symbol wird zur Bezeichnung der inneren Energie verwendet?

A: Das Symbol für die interne Energie ist U oder manchmal E.

F: Welche Art von Energie umfasst die interne Energie?

A: Die interne Energie umfasst die kinetische Energie, die durch die Bewegung der Moleküle (Translation, Rotation, Vibration) entsteht, sowie die potentielle Energie, die mit der Vibrations- und elektrischen Energie der Atome in Molekülen oder Kristallen verbunden ist. Sie umfasst auch die Energie in allen chemischen Bindungen und die freien Leitungselektronen in Metallen.

F: Ist die innere Energie eine Zustandsfunktion?

A: Ja, die innere Energie ist ein thermodynamisches Potenzial und eine Zustandsfunktion eines Systems.

F: Welche Einheit wird zur Messung der inneren Energie verwendet?

A: Die SI-Einheit für die Messung der inneren Energie ist Joule, obwohl andere historische Einheiten wie Kalorien immer noch in Gebrauch sind.

F: Wie wirkt sich die Entropie auf die innere Energie aus?

A: Bei einem geschlossenen thermodynamischen System mit konstanter Entropie ist die innere Energie minimal.

F: Können Sie die inneren Energien von elektromagnetischer Strahlung oder Schwarzkörperstrahlung berechnen?

A: Ja, es ist möglich, die inneren Energien von elektromagnetischer Strahlung oder Schwarzkörperstrahlung zu berechnen.

F: Sind die Kalorienangaben auf Lebensmitteletiketten korrekt?

A: Nein, die Kalorienangaben auf den Lebensmitteletiketten sind nicht korrekt, da sie sich stattdessen auf Kilokalorien beziehen.