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内部エネルギーとは?

ないぶえねるぎー

内部エネルギーとは、物質を構成する原子分子の運動エネルギーと位置エネルギーの総和として定義される、系が内部に蓄えるエネルギーの総量です。

内部エネルギー(internal energy、記号U)は、熱力学における基本的な状態関数の一つです。物質の内部に蓄えられているエネルギーの総量を指し、分子の並進・回転振動などの運動エネルギー、分子間の引力・斥力に基づく位置エネルギー、さらに化学結合や核エネルギーなどを含みます。系全体の運動(重心の並進)や外部の重力ポテンシャルエネルギーは含みません。

熱力学第一法則は内部エネルギーを用いて表現されます。系が吸収した熱量(Q)と外部からされた仕事(W)の和が、内部エネルギーの変化量(ΔU)に等しいという式です。

ΔU = Q + W

内部エネルギーは絶対値を直接測定することはできませんが、反応や過程における変化量(ΔU)は測定可能であり、これが化学反応の発熱・吸熱の基礎となります。

内部エネルギーの重要な性質として、状態量(状態関数)であることが挙げられます。これは、系が現在の状態にある限り、その状態に至った経路によらず内部エネルギーの値が決まることを意味します。化学熱力学では定圧条件下での反応熱としてエンタルピー(H = U + PV)がより使いやすい指標として用いられることが多いです。

使い方・例文

燃料の燃焼反応では化学結合エネルギーが解放され、系の内部エネルギーが減少します。この変化が熱や仕事として外部に放出されるというのが内部エネルギーの概念の代表的な場面です。

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