内能

內能
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內能（internal energy） 從微觀的角度來看，是分子無規則運動能量總和的統計平均值。分子無規則運動的能量包括分子的動能、分子間相互作用勢能以及分子內部運動的能量。物體的內能不包括這個物體整體運動時的動能和它在重力場中的勢能。

原則上講，物體的內能應該包括其中所有微觀粒子的動能、勢能、化學能、電離能和原子核內部的核能等能量的總和，但在一般熱力學狀態的變化過程中，物質的分子結構、原子結構和核結構不發生變化，所以可不考慮這些能量的改變。但當在熱力學研究中涉及化學反應時，需要把化學能包括到內能中 。

中文名 ：內能

外文名 internal energy

國際單位： 焦耳

應用學科： 物理、化學

內能的含義

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微觀定義

從微觀上說，系統內能是構成系統的所有分子無規則運動動能、分子間相互作用勢能、分子內部以及原子核內部各種形式能量的總和 [2] 。後面兩項在大多物理過程中不變，因此一般只需要考慮前兩項，二者的總和就是通常所指的內能。但在涉及電子的激發、電離的物理過程中或發生化學反應時分子內部（不包括原子核內部）的能量將大幅變化，此時內能中必須考慮分子內部的能量。核內部能量僅在核物理過程中才會變化，因此絕大多數情形下，都不需要考慮這一部分的能量。內能的絕對量（主要是其中的核內部能量部分）還不完全清楚，但不影響解決一般問題，對於內能我們常常關心的是其變化量。

宏觀定義

拋開物質內部的結構細節，從宏觀上說，內能是與系統在絕熱條件下做功量相聯繫的，描述系統本身能量的一種狀態函數。內能的宏觀定義式為：ΔU=Wa，其中ΔU為內能的變化量，Wa為絕熱過程外界對系統的做功量。在宏觀定義中，內能是一個相對量。

內能是系統的一種狀態函數（簡稱態函數），即內能可以表達為系統的某些狀態參量（例如壓強、體積等）的某種特定的函數，函數的具體形式取決於具體的物質系統（具體地說，取決於物態方程）。當系統處於某一平衡態時，系統的一切狀態參量將取得定值，內能作為這些狀態參量的特定函數也將取得定值（儘管還不清楚它的絕對數值是多少）。

對於一定量物質構成的系統，通過做功、熱傳遞與外界交換能量，引起系統狀態變化，而導致內能改變，其間的關係由熱力學第一定律給出。對於不存在宏觀動能變化的系統，則有ΔU=W+Q，其中ΔU為內能的變化量，W為外界對系統的做功量，Q為系統（從外界）的吸熱量，該式稱為熱力學第一定律的常用表達式。內能的概念建立在焦耳等人大量精密的熱功當量實驗的基礎之上。能量和內能概念的建立標誌着能量轉化與守恆定律（即熱力學第一定律）的真正確立。

內能的分類

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狹義內能

在一般的物理問題中（不涉及電子的激發電離，化學反應和核反應），內能中僅分子動能和勢能兩部分會發生改變，此時我們只關心這兩部分，而將這兩部分之和定義為內能。這是一種簡化的定義，即狹義內能。在涉及電子的激發電離，化學反應和核反應時，為不引起誤解狹義內能應嚴格稱為熱力學能（以前稱為熱能，熱能這一概念在一些工程領域內仍廣泛使用）。

廣義內能

在不涉及核反應的物理過程或化學過程中，原子核內部的能量不會改變，此時可以將內能定義為熱力學能與電子能之和。

最廣義的內能就是物體或系統內部一切微觀粒子的一切運動形式所具有的能量總和。即熱力學能、電子能與原子核內部能量之和。

內能的性質

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內能是物體、系統的一種固有屬性，即一切物體或系統都具有內能，不依賴於外界是否存在、外界是否對系統有影響。內能是一種廣延量（或容量性質），即其它因素不變時，內能的大小與物質的數量（物質的量或質量）成正比。

當系統發生某一變化，從原先的平衡態過渡到另一個新的平衡態時，內能的變化量僅取決於變化前後的系統狀態，而與這個變化是如何發生的（例如變化的快慢）以及變化經歷了怎樣曲折的過程（例如是經歷一個等溫過程、等壓過程還是一個任意過程）完全無關。內能的這一性質和功、熱量有着本質的區別。

功和熱量都是系統與外界之間交換的能量，或者說系統（從外界）吸收或放出（給外界）的能量。一旦系統對外界做了功或傳了熱，這部分能量就不再是系統的能量（即不再是系統內能的一部分），而是變成外界物體的能量（構成外界物體內能或動能的一部分）。系統只存在或含有內能（內能的存在不依賴於外界），不存在熱量或功（離開外界和系統的相互作用，談不上熱量和功）。僅當系統在外界（外力或溫差）的作用下，系統內能中的一部分以功或熱量這兩種能量形式傳給外界（或反之）。功和熱量的大小，不僅取決於系統變化前後的狀態，還取決於變化的每一細節過程。

內能變化的途徑

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1、做功可以改變物體的內能 [3] 。（如鑽木取火）

當外力對物體做正功時，物體內能增大，反之亦反。

2、熱傳遞可以改變物體的內能。（如放置冰塊使物體降溫）

熱傳遞的三種形式：熱傳導，熱對流（一般見於氣體和液體）以及熱輻射。熱傳遞的條件是物體間必須有溫度差。

能量組成

分子的動能

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包括分子的平動能、轉動能和振動動能（分子的振動同時具有振動勢能，一般將振動動能和振動勢能統稱為振動能）。

分子內部的能量

分子（包括一般所指的分子、原子和離子，見前文注）內部的能量主要取決於電子的能量和核內部的能量。核內部的能量僅在核物理過程中發生變化，因此在其它一切情形時，都可以認為分子內部的能量主要就是電子的能量。更準確地說包括了電子的動能，電子和核的引力勢能，電子和電子間的斥力勢能（單電子原子、離子或分子不存在該能），核與核間的斥力勢能（不存在化學鍵的孤立原子不存在該能）。

分子勢能

該種勢能來源於分子間的引力和斥力。分子間力又稱范德華力，廣義的分子間力還包括氫鍵力等分子間特殊作用力。分子間力本質上都是電磁力，其大小、正負（即表現為引力還是斥力）由分子的偶極矩和分子間的距離所決定。由於電子的運動是隨機的，因此分子的偶極矩的大小和方向也是隨機的，從而分子間引力和斥力同時存在並不斷變化（化學鍵力本質上也是電磁力，但存在於分子內部，並且大小比分子間力大1-2個數量級）。