內能

在熱力學裏 ， 內能 （ internal energy ） 是熱力學系統內兩個具狀態變數之基本狀態函數的其中一個函數 。 內能是指系統所含有的能量 ， 但不包含因外部力場而產生的系統整體之動能與位能 。 內能會因系統能量的增損而隨之改變 。 系統的內能可能因 ( 1 ) 對系統加熱 、 ( 2 ) 對系統作 ， 或 ( 3 ) 添加或移除物質而改變 。 當系統內有不可穿透的牆阻止物質傳遞時 ， 該系統稱之爲 「 封閉系統 」 。 如此一來 ， 熱力學第一定律描述 ， 內能的增加會等於增加的熱量加上環境對該系統所作的功 。 若該系統周圍的牆不能傳遞物質與能量 ， 則該系統稱之爲 「 孤立系統 」 ， 且其內能會維持定值 。 一系統內給定狀態下的內能不能被直接量測 。 給定狀態下的內能可由一已給定其內能參考值之參考狀態開始 ， 經過一連串及熱力學過程 ， 以達到該給定狀態來決定其值 。 這一連串的操作及過程 ， 理論上可使用該系統的某些外延狀態變數來描述 ， 亦即該系統的熵 S 、 容量 V 及莫耳數 } 。 內能 是這些變數的函數 。 有時 ， 該函數還能再附加上其他的外延狀態變數 ， 如電偶極矩 。 就熱力學及工程學上的實際用途來看 ， 一般很少需要考慮一個系統的所有內含能量 ， 如質量所含有的等價能量 。 一般而言 ， 只有與研究的系統及程序有關的部分纔會被包含進來 。 熱力學一般只在意內能的 「 變化量 」 。 內能是一系統內的狀態函數 ， 因爲其值僅取決於該系統的目前狀態 ， 而與達到此一狀態所採之途徑或過程無關 。 內能是個外延物理量 。 內能是個基本熱動力位能 。 使用勒壤得轉換 ， 可從內能開始 ， 在數學上建構出其他的熱動力位能 。 這些函數的狀態變數 ， 部分外延變數會被其共軛內含變數所取代 。 因爲僅是將外延變數由內含變數所取代並無法得出其他熱動力位能 ， 所以勒壤得轉換是必要的 。 熱力學系統的另一個基本狀態函數爲該系統的熵 ， 是個除熵 S 這個狀態變數被內能 U 所取代外 ， 具有相同狀態變數之狀態函數 。 雖然內能是個宏觀物理量 ， 內能也可在微觀層面上由兩個假設的量來解釋 。 一個是系統內粒子的微觀運動 （ 平移 、 旋轉 、 振動 ） 所產生的微觀動能 。 另一個是與粒子間的化學鍵及組成物質的靜止質量能量等微觀力有關之位能 。 在微觀的量與系統因作功 、 加熱或物質轉移而產生之能量增損的量之間 ， 並不存在一個簡單的普遍關係 。 能量的國際單位爲焦耳 （ J ） 。 有時使用單位質量 （ 公斤 ） 的內能 （ 稱之爲 「 比內能 」 ） 會比較方便 。 比內能的國際單位爲 J / kg 。 若比內能以物質數量 （ 莫耳 ） 的單位來表示 ， 則稱之爲 「 莫耳內能 」 ， 且該單位爲 J / mol 。 從統計力學的觀點來看 ， 內能等於系統總能量的 。