1. 전체 에너지 = 내부 에너지 U + 외부 에너지 Eext
ㅇ 외부 에너지 (External Energy) Eext = 역학적 에너지
- 거시적 에너지의 합
. 물체의 운동에 의한 운동에너지와 위치에 따른 위치에너지와의 합
. 계의 질량 중심에 관계되는 위치에너지,운동에너지
ㅇ 내부 에너지 (Internal Energy) U = 계 내부 미시적 에너지의 합
- 미시적 에너지의 합
. 계 내부에 저장된 에너지의 총 용량
.. 크기가 작은 분자적 관점의 무작위 운동과 관련됨
.. 계 내부 입자(분자,원자)들의 모든 운동에너지,퍼텐셜에너지의 합
.. 例) 기체는 기체 분자 운동과 상응하는 내부 에너지를 갖게 됨
.. [참고] ☞ 열운동, 기체분자운동 참조
. 계 내부가 주위로부터 받은 열과 일의 합
- 한편,
. 일정 압력 하에 부피 만 변할 때,
. 계 내부 입자들이 하는 팽창 일 때문에,
. 그 만큼 (해당 에너지 만큼) 제외되어짐 (내부 에너지가 줄어듬)
2. 내부 에너지의 표현
ㅇ (보존계) △U = Q + W
- 열 Q과 일 W을 합한 양 => 항상 보존됨 => 에너지보존법칙 (열역학 제1법칙)
ㅇ (화학반응 전후) △U = U생성물 - U반응물 = U최종 - U초기
3. 내부 에너지의 특징
ㅇ 경로 비 의존적
- 경로에 의존 않는 상태 함수(점 함수 )
ㅇ 물질의 양에 비례적
- 물질의 양에 비례하는 종량적 상태량 임
ㅇ 물질의 상태에 따라 (의존적으로) 변화함
- 특히, 온도에 의존적
. 압력과 부피 변화 만으로는, 계의 내부 에너지에 변화 없음
- 한편, 내부 에너지의 온도에 따른 열량 변화율(△Q/△T)은,
. 열용량(C)으로 정의됨 (C = △Q/△T)
- 한편, 계의 해석을 위해서는,
. 내부 에너지의 절대량이 아닌 그 변화량 만을 필요로 함 : (△U = Q + W)
ㅇ 계 주위와 에너지 교환으로 증감
- 계가 주위와 일과 열을 주고받음으로써, 계의 내부 에너지는 변화됨
ㅇ 직접 측정 불가
- 비록, 열역학적 상태량이지만,
. 측정이 불가능하거나, 쉽게 결정이 어려움
- 따라서, 측정 불가능한 성질(내부 에너지 등)을 측정 가능한 성질(압력,온도,부피)과 관련시켜
. 간접적인 측정이 가능함
- 다만, 물질의 실질적인 에너지 계산에 내부 에너지를 잘 사용 안함
. 이 경우 주로, 엔탈피를 사용함
4. 내부 에너지의 부호 규약
ㅇ [화학 관례]
* (표현식) : △U = Q + W
- 계로 에너지가 들어감 = 내부 에너지 증가 : △U (+)
. 열 흡수 (흡열) Q (+)
. 일이 내부 계에 대해 행해짐 W (+)
- 계에서 에너지가 빠져나감 = 내부 에너지 감소 : △U (-)
. 열 방출 (발열) Q (-)
. 일이 내부 계에 의해 외부로 행해짐 W (-)
* 계의 관점 임 : 에너지가 계로 들어오면 양(+)
ㅇ [기계 공학 관례]
* (표현식) : △U = Q - W 또는 Q = △U + W
- 계로 에너지가 들어감 = 내부 에너지 증가 : △U (+)
. 열 흡수 (흡열) Q (+)
. 열기관에게 일이 행해짐 W (-)
- 계에서 에너지가 빠져나감 = 내부 에너지 감소 : △U (-)
. 열 방출 (발열) Q (-)
. 열기관이 외부에 일을 함 W (+)
* 주위의 관점 임 : 기계가 에너지를 써서 외부(주위)에 일을 행하면 양(+)