化学徒の備忘録

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内部エネルギー:静止している物質系の全エネルギー

内部エネルギーとは

内部エネルギーとは、系内の分子全体のエネルギーから系全体がもっているポテンシャルエネルギーと系全体がもっている運動エネルギーを除いたエネルギーである。

内部エネルギーは記号ではUEで表される場合が多い。

系内にある物質のもつエネルギーとしては様々なものが考えられる。

しかし、化学で内部エネルギーを考える場合は、様々なエネルギーのうち、重力による位置エネルギーや物体が電界中に存在する場合に生じる電気的位置エネルギー、素粒子を結び付けている核エネルギーなどは、化学変化に関係しないため、あまり考えない。

そういったエネルギー以外の内部エネルギーを構成するエネルギーとして次のようなものが考えられる。

  • 分子の熱運動(並進、回転、振動)のエネルギー 
  • 分子間の相互作用(分子間力、水素結合、溶媒和)による位置エネルギー
  • 原子間結合による位置エネルギー

これらをまとめると、内部エネルギー物質内の分子間力による位置エネルギーと分子の熱振動による運動エネルギーの和であるとまとめることができる。

また内部エネルギーのうち、特に位置エネルギーは、どこを基準とするかによって、その値は異なってくる。そのため、内部エネルギーの絶対値はあまり重要ではなく、内部エネルギーの変化量が重要となる。

系が外界より熱量qを吸収し、仕事wをしたときの内部エネルギーの変化量\Delta Uは次のようになる。

\Delta U = q +w

また、理想気体の場合には、位置エネルギーが0であるため、絶対温度Tでの内部エネルギーUはモル数をn、気体定数をRとすると次のようになる。

U = \frac{3}{2} nRT