내부에너지 Internal energy

내부에너지 Internal energy

미시적인 형태의 에너지로, 

시스템의 분자구조 및 분자의 운동과 관련된 운동에너지(Kinetic energy)와 포텐셜에너지(potential energy)의 합

어떤 계의 외부로부터 열이나 일을 가할 때, 그 계가 외부와 열의 수수가 없고 외부에 일을 하지 않았다면 

이들 에너지는 그 계의 내부에너지로 축적됨

외부의 좌표계와 무관하다.

내부에너지는 시스템의 분자구조 및 분자의 운동과 관련된 운동에너지(Kinetic energy)와 포텐셜에너지(potential energy)에 따라구분할 수 있다. 

^[각주:1]

1) (분자) 운동에너지 Kinetic energy

• Translation Motion

Kinetic energy that is common in classical mechanics

 (m = Mass v = Velocity)

• Rotational Motion

Another form of Kinetic energy in classical mechanics 

  (I = Moment of Inertia, w = Angular velocity)

 

• Vibration Motion

Bonds inside a molecule act like small springs with a potential energy 

1/2kx2 (k = Spring Constant , x = Displacement)

2) (분자) 포텐셜에너지 Potential Energy

• Intramolecular Potential Energy 

Atoms tend to be ionized (have a distinct charge associated with them) this can cause a magnetic potential energy between atoms in a molecule.

• Intermolecular Potential Energy

Molecules themselves can be polar, a good example of this is water with a negatively charged oxygen and two slightly positively charged hydrogen atoms. The net charge on a water molecule in zero but the molecule itself is polar having a negative and a positive end. Thus polar molecules can have a certain magnetic potential energy associated with them.

이상기체(Ideal monoatomic gas)일 경우에는 선형적으로 움직이는 Translation motion만 존재하지만, 

폴리아토믹 가스(Polyatomic gas)는 Rotational motion과 Vibration motion도 작용한다. 

^{[각주:2][각주:3]}

분자의 Kinetic energy가 높을 수록 온도가 높을 것이라는 것을 상식적으로 알 수 있다. 

Boltzmann 상수를 도입하면서 Kinetic energy와 온도 간 상관관계가 성립된다.

^[각주:4]

만약 온도가 같고 물질의 상(phase)가 다르다면 어떨할까.

^[각주:5]

가스 상태와 다르게

액체와 고체 상태의 분자들은 분자들간 인장력(internmolecular attractive force)가 작용하여 

같은 온도일 때 액체와 고체일 때 가스일때보다 내부에너지가 더 크다. 

예를 들어, 같은 온도에서 1그램의 물과 1그램의 구리의 내부에너지를 비교해보자

^[각주:6]

같은 온도 조건에서는 분자가 움직이는 에너지가 같기 때문에 운동에너지(KE, Kinetic Energy)도 같다.

분자간 포텐셜에너지(PE, Potential Energy)가 물이 구리보다 10배 정보 더 크다. 즉, 물 분자가 구리분자보다 10배의 포텐셜에너지를 가해져야 상태가 변화(온도가 1도 상승)한다는 뜻이다. 

물질 1kg을 1도 올리기 위해 필요한 열량을 비열(Specific heat)이라고 한다. 

물 비열과 구리 비열이 10배가 차이가 난다.

비열도 온도에 따라 변화하는 상태량이다. 

^[각주:7]

2014. 05. 16 작성

2014. 05. 19 수정

1. http://goo.gl/ddhkDn [본문으로]
2. http://goo.gl/FWu5wc [본문으로]
3. http://goo.gl/FWu5wc [본문으로]
4. http://goo.gl/3IF5jP [본문으로]
5. http://goo.gl/8jLdN [본문으로]
6. http://goo.gl/8jLdN [본문으로]
7. http://goo.gl/S5W0qa [본문으로]