Внутренняя энергия, энергия тела, зависящая только от его внутреннего состояния. Понятие внутренней энергии объединяет все виды энергии тела, за исключением энергии его движения как целого и потенциальной энергии, которой тело может обладать, если оно находится в поле каких-нибудь сил (например, в поле сил тяготения).
Понятие внутренней энергии ввёл У. Томсон (1851), определив изменение внутренней энергии (DU) тела (физической системы) в каком-нибудь процессе как алгебраическую сумму количества теплоты Q которой система обменивается в ходе процесса с окружающей средой, и работы А, совершённой системой или произведённой над ней:
DU = Q - A (1)
Принято считать работу А положительной, если она производится системой над внешними телами, а количество теплоты Q положительным, если оно передаётся системе. Уравнение (1) выражает первое начало термодинамики — закон сохранения энергии в применении к процессам, в которых происходит передача теплоты.
Согласно закону сохранения энергии, внутренняя энергия является однозначной функцией состояния физической системы, т. е. однозначной функцией независимых переменных, определяющих это состояние, например, температуры Т и объёма V или давления р. Хотя каждая из величин (Q и A) зависит от характера процесса, переводящего систему из состояния с внутренней энергией U1 в состояние с энергией U2, однозначность внутренней энергии приводит к тому, что DU определяется лишь значениями внутренней энергии в начальном и конечном состояниях: DU = U2 — U1. Для любого замкнутого процесса, возвращающего систему в первоначальное состояние (U2 = U1), изменение внутренней энергии равно нулю и Q = А (см. Круговой процесс).
Изменение внутренней энергии системы в адиабатном процессе (при отсутствии теплообмена с окружающей средой, т. е. при Q = 0) равно работе, производимой над системой или произведённой системой.
В случае простейшей физической системы — идеального газа — изменение внутренней энергии, как показывает кинетическая теория газов, сводится к изменению кинетической энергии молекул, определяемой температурой (см. Газы). Поэтому изменение внутренней энергии идеального газа (или близких к нему по свойствам газов с малым межмолекулярным взаимодействием) определяется только изменением его температуры (закон Джоуля). В физических системах, частицы которых взаимодействуют между собой (реальные газы, жидкости, твёрдые тела), внутренняя энергия включает также энергию межмолекулярных и внутримолекулярных взаимодействий. Внутренняя энергия таких систем зависит как от температуры, так и от давления (объёма).
Экспериментально можно определить только прирост или убыль внутренней энергии в физическом процессе (за начало отсчёта можно взять, например, исходное состояние). Методы статистической физики позволяют, в принципе, теоретически рассчитать внутреннюю энергию физической системы, но также лишь с точностью до постоянного слагаемого, зависящего от выбранного нуля отсчёта.
В области низких температур с приближением к абсолютному нулю (—273,16°С) внутренняя энергия конденсированных систем (жидких и твёрдых тел) приближается к определённому постоянному значению U 0, становясь независимой от температуры (см. Третье начало термодинамики). Значение U 0 может быть принято за начало отсчёта внутренней энергии.
Внутренняя энергия относится к числу основных термодинамических потенциалов (см. Потенциалы термодинамические). Изменение внутренней энергии при постоянных объёме и температуре системы характеризует тепловой эффект реакции, а производная внутренней энергии по температуре при постоянном объёме определяет теплоёмкость системы.
Лит. см. при ст. Потенциалы термодинамические.
А. А. Лопаткин.