내부에너지

요약 물체가 지니고 있는 에너지 중에서 물체가 전체적으로 이동하거나 회전하기 위해서 갖는 운동에너지 이외의 물체 내부에 축적되는 에너지를 말한다.

열역학 제1법칙 E = Q - W에서 E는 내부에너지이다. 또 물체가 열을 받으면 그 양만큼 증가하고, 열을 잃으면 그 양만큼 감소한다. 즉 내부에너지의 증가는 받은 일과 얻은 열량의 합과 같다. 또한 내부에너지의 값은 물체의 상태에 따라 정해진다. 즉 물체의 압력·온도·부피 중 어느 두 값이 주어지면 결정된다. 특히 이상기체(理想氣體)에서의 내부에너지는 온도만의 함수이다.

미시적으로 보면, 정지한 물체의 내부에너지는 물체를 구성하는 각 원자가 가지는 역학적 에너지(운동에너지와 위치에너지)의 총합과 같다. 열역학에서는 물체의 원자구조에는 관여하지 않고 내부에너지를 그대로 하나의 양으로 다룬다. 열역학 제1법칙의 특수한 경우로 4가지가 있다.

첫째, 단열과정이다. 열역학 제1법칙 E = Q - W에서 Q = 0인 경우이다. 즉 외부로부터 열의 출입이 없는 경우이다. 그러면 E = -W가된다. 이는 외부와 열에너지 전달이 일어나지 않는 과정이다. 계(System)가 일을 하면 내부에너지는 그만큼 감소하고, 반대로 계가 외부로부터 일을 받으면 내부에너지는 그만큼 증가한다.

둘째, 등적과정이다. 열역학 제1법칙 E = Q - W에서 W = 0인 경우이다. 즉 부피가 일정하다. 계가 열을 흡수하면 계의 내부에너지는 증가하고 반대로 열을 잃으면 내부에너지가 감소한다.

셋째, 순환과정이다. 열역학 제1법칙 E = Q - W에서 E = 0인 경우이다. 그러면 Q = W가 된다. 즉 내부에너지는 변하지 않는다. 순환과정 동안 알짜일은 열의 형태로 전달된 알짜에너지와 정확히 같고 계의 내부에너지는 변하지 않는다.

넷째, 자유팽창이다. 열역학 제1법칙 E = Q - W에서 Q = W = 0인 경우이다. 그러면 E = 0이 된다. 자유팽창은 계와 주위 사이에 열 전달이 없고, 계가 일도 하지 않는 단열 과정이다. 자유팽창 그림에서 잠금마개가 열리면 기체는 자유팽창을 하여 양쪽 공간을 모두 채운다. 이때 두 공간은 단열되어 있으므로 외부와 열전달은 없다. 그리고 기체가 아무 압력도 받지 않고 진공으로 들어가므로 일도 없다.