Innere Energie
Thermodynamik
Definition
Die innere Energie, abgekürzt mit einem großen U, ist die gesamte Energie, die ein ruhendes thermodynamisches System im thermodynamischen Gleichgewicht mit seiner Umgebung noch hat, die für für thermodynamische Umwandlungen noch zur Verfügung steht. Das ist hier kurz erklärt.
Eigenschaften der inneren Energie
- U ist konstant, ändert sich also nicht für ein abgeschlossenes System ↗
- U ist eine extensive Größe ↗
- ΔU = Q + W
Was ist die äußere Energie?
Man stelle sich eine dünne und mit Gas gefüllte Glaskugel vor. Die Kugel fliegt mit hoher Geschwindigkeit im Weltraum um die Erde. Diese Kugel als Ganzes hat a) eine Bewegungsenergie und b) eine Höhenenergie. Diese zwei Energiearten bezeichnet man als äußere Energie, sie hängen nicht vom inneren Zustand des Gases in der Kugel ab. Welche Temperatur oder welchen Druck das Gas im Inneren der Kugel haben, spielt für die äußere Energien also keine Rolle.
Was ist die innere Energie?
Um sich die innere Energie eines Systems vorzustellen, denkt man sich das System zunächst als ruhend vor. Auch vernachlässigt man seine Lage in einem Feld, ordnet ihm also keine potentielle Energie wie etwa eine Höhenenergie zu. Zudem stellt man sich das System in einem thermodynamischen Gleichgewicht mit seiner Umwelt vor: es hat also gedanklich dieselbe Temperatur. Damit gibt es auch keinen temperaturbedingten Energiefluss zwischen dem System und der Umwelt. Die innere Energie ist dann die Summe aller Energie, die das System dann noch hat, um damit thermodynisch wirken zu können. Diese innere Energie setzt sich aus vielen möglichen Bestandteilen[1] zusammen.
Bestandteile der inneren Energie
- Die kinetische Energie der ungeordneten Teilchenbewegung, siehe auch Wärme ↗
- Bei mehratomigen idealen Gasen auch die kinetische Rotationsenergie der Moleküle
- Bei mehratomigen idealen Gasen die potentielle Energie ihrer inneren Schwingungen
- In Gegenwart äußerer Felder auch diejenige potentielle Energie, die die Teilchen bezogen auf einen relativ zum System fest definierten Punkt haben
- Bei chemische Reaktionen die Energie der chemischen Bindungen der beteiligten Atomarten
- Bei Materie im Plasmazustand die Ionisationsenergien der Moleküle und Atome
- Bei Kernreaktionen wie Radioaktivität, Kernfusion oder Kernspaltung die Kernbindungsenergie
- Die innere Energie eines Hohlraums ist durch die in ihm vorhandene Strahlungsenergie gegeben.
Fußnoten
- [1] Die innere Energie ist "die gesamte Energie eines thermodynamischen Systems, die allein durch den inneren Zustand des Systems bestimmt ist. Sie setzt sich zusammen aus der kinetischen Energie der Wärmebewegung, der Wechselwirkungsenergie zwischen den Molekülen sowie aus innermolekularen Anteilen (z. B. Schwingungsenergie)." In: Spektrum Lexikon der Physik. Dort der Artikel zu "Wärme". Abgerufen am 30. Januar 2024. Online: https://www.spektrum.de/lexikon/physik/innere-energie/7270
- [2] "Die innere Energie eines idealen Gases hängt nur von dessen Temperatur und nicht von seinem Druck ab." In: Glossar der Internseite "Thermo bestehen", dort der Eintrag zu "Innere Energie". Abgerufen am 31. Januar 2024. Online: https://www.thermo-bestehen.de/innere-energie