热力学及化学内能

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内能(热力学及化学)内能（internal energy）从微观的角度来看，是分子无规运动能量总和的统计平均值。在没有外场的情形下分子无规运动的能量包括分子的动能、分子间相互作用势能以及分子内部运动的能量。物体的内能不包括这个物体整体运动时的动能和它在重力场中的势能。原则上讲，物体的内能应该包括其中所有微观粒子的动能、势能、化学能、电离能和原子核内部的核能等能量的总和，但在一般热力学状态的变化过程中，物质的分子结构、原子结构和核结构不发生变化，所以可不考虑这些能量的改变。但当在热力学研究中涉及化学反应时，需要把化学能包括到内能中。
内能常用符号U表示，内能具有能量的量纲，国际单位是焦耳（J）[注：由于分子在不停的做不规则的运动所以内能不能为‘0’（这个运动叫做分子热运动）]
【热力学及化学内能】根据热力学第一定律，内能是一个状态函式。同时，内能是一个广延物理量，即是说两个部分的总内能等于它们各自的内能之和。
基本介绍中文名：内能
外文名：internal energy
国际单位：焦耳
实质：状态函式
套用学科：物理
性质微观解释从微观上说，系统内能是构成系统的所有分子无规则运动动能、分子间相互作用势能、分子内部以及原子核内部各种形式能量的总和。后面两项在大多物理过程中不变，因此一般只需要考虑前两项，二者的总和就是通常所指的内能。但在涉及电子的激发、电离的物理过程中或发生化学反应时分子内部（不包括原子核内部）的能量将大幅变化，此时内能中必须考虑分子内部的能量。核内部能量仅在核物理过程中才会变化，因此绝大多数情形下，都不需要考虑这一部分的能量。内能的绝对量（主要是其中的核内部能量部分）还不完全清楚，但不影响解决一般问题，对于内能我们常常关心的是其变化量。函式解释抛开物质内部的结构细节，从巨观上说，内能是与系统在绝热条件下做功量相联繫的，描述系统本身能量的一种状态函式。内能的巨观定义式为：ΔU=Wa ，其中ΔU为内能的变化量， Wa为绝热过程外界对系统的做功量。在巨观定义中，内能是一个相对量。内能是物体、系统的一种固有属性，即一切物体或系统都具有内能，不依赖于外界是否存在、外界是否对系统有影响。内能是一种广延量（或容量性质），即其它因素不变时，内能的大小与物质的数量（物质的量或质量）成正比。内能是系统的一种状态函式（简称态函式），即内能可以表达为系统的某些状态参量（例如压强、体积等）的某种特定的函式，函式的具体形式取决于具体的物质系统（具体地说，取决于物态方程）。当系统处于某一平衡态时，系统的一切状态参量将取得定值，内能作为这些状态参量的特定函式也将取得定值（儘管还不清楚它的绝对数值是多少）。对于一定量物质构成的系统，通过做功、热传递与外界交换能量，引起系统状态变化，而导致内能改变，其间的关係由热力学第一定律给出。对于不存在巨观动能变化的系统， ΔU=W+Q ，其中ΔU为内能的变化量， W为外界对系统的做功量， Q为系统（从外界）的吸热量。该式称为热力学第一定律的常用表达式内能的概念建立在焦耳等人大量精密的热功当量实验的基础之上。能量和内能概念的建立标誌着能量转化与守恆定律（即热力学第一定律）的真正确立。正如重力对一定质量物体做功的大小与物体下降的路径无关，仅与物体下降前后的垂直位置有关，焦耳的实验证明系统在绝热条件下的做功量与系统经历的具体过程无关，仅与系统做功前后的状态有关。从前一现象人们提出了重力势能的概念，将过程量功表达为仅取决于高度的势能函式在不同高度的函式值之差。类似可以定义一个仅取决于系统状态的函式，将过程量绝热功表为该函式在不同状态的函式值之差。这个被定义的函式，就称为内能。本质解释当系统发生某一变化，从原先的平衡态过渡到另一个新的平衡态时，内能的变化量仅取决于变化前后的系统状态，而与这个变化是如何发生的（例如变化的快慢）以及变化经历了怎样曲折的过程（例如是经历一个等温过程、等压过程还是一个任意过程）完全无关。内能的这一性质和功、热量有着本质的区别。功和热量都是系统与外界之间交换的能量，或者说系统（从外界）吸收或放出（给外界）的能量。一旦系统对外界做了功或传了热，这部分能量就不再是系统的能量（即不再是系统内能的一部分），而是变成外界物体的能量（构成外界物体内能或动能的一部分）。系统只存在或含有内能（内能的存在不依赖于外界），不存在热量或功（离开外界和系统的相互作用，谈不上热量和功）。仅当系统在外界（外力或温差）的作用下，系统内能中的一部分以功或热量这两种能量形式传给外界（或反之）。功和热量的大小，不仅取决于系统变化前后的状态，还取决于变化的每一细节过程。【注】对于巨观动能发生变化的系统，热力学第一定律的普遍表达式是：ΔEk+ΔU=W+Q ，其中ΔEk为系统的（巨观）动能的变化量。分子的动能包括分子的平动能、转动能和振动动能（分子的振动同时具有振动势能，一般将振动动能和振动势能统称为振动能）。分子间的相互作用势能该种势能来源于分子间的引力和斥力。分子间力又称范德华力，广义的分子间力还包括氢键力等分子间特殊作用力。分子间力本质上都是电磁力，其大小、正负（即表现为引力还是斥力）由分子的偶极矩和分子间的距离所决定。由于电子的运动是随机的，因此分子的偶极矩的大小和方向也是随机的，从而分子间引力和斥力同时存在并不断变化（化学键力本质上也是电磁力，但存在于分子内部，并且大小比分子间力大1-2个数量级）。

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