Énergie interne

Auteur: Leandro Alegsa Date de création: 9 mai 2021

En thermodynamique, l'énergie interne d'un système thermodynamique, ou d'un corps aux limites bien définies, désignée par U, ou parfois E, est la somme de l'énergie cinétique due au mouvement des molécules (translation, rotation, vibration) et de l'énergie potentielle associée à l'énergie vibratoire et électrique des atomes au sein des molécules ou des cristaux. Elle comprend l'énergie de toutes les liaisons chimiques et l'énergie des électrons libres de conduction dans les métaux.

L'énergie interne est un potentiel thermodynamique et pour un système thermodynamique fermé maintenu à entropie constante, elle sera minimisée.

On peut également calculer l'énergie interne du rayonnement électromagnétique ou du corps noir. C'est une fonction d'état d'un système, une quantité importante. L'unité SI d'énergie est le joule, bien que d'autres unités historiques et conventionnelles soient toujours utilisées, comme la (petite et grande) calorie pour la chaleur. (Les calories qui figurent sur les étiquettes des aliments classiques sont en fait des kilo-calories).

Vue d'ensemble

L'énergie interne n'inclut pas l'énergie cinétique de translation ou de rotation d'un corps dans son ensemble. Elle n'inclut pas non plus l'équivalent masse-énergie relativiste E = mc2. Elle exclut toute énergie potentielle qu'un corps peut avoir en raison de son emplacement dans un champ gravitationnel ou électrostatique externe, bien que l'énergie potentielle qu'il a dans un champ dû à un moment dipolaire électrique ou magnétique induit compte, tout comme l'énergie de déformation des solides (contrainte-déformation).

Le principe d'équipartition de l'énergie en mécanique statistique classique stipule que chaque degré de liberté moléculaire reçoit 1/2 kT d'énergie, un résultat qui a été modifié lorsque la mécanique quantique a expliqué certaines anomalies ; par exemple, dans les chaleurs spécifiques observées des cristaux (lorsque hν > kT). Pour l'hélium monatomique et les autres gaz nobles, l'énergie interne est uniquement constituée de l'énergie cinétique de translation des atomes individuels. Les particules monatomiques, bien entendu, ne tournent ou ne vibrent pas (raisonnablement), et ne sont pas excitées électroniquement à des énergies plus élevées, sauf à des températures très élevées.

Du point de vue de la mécanique statistique, l'énergie interne est égale à la moyenne d'ensemble de l'énergie totale du système.

Questions et réponses

Q : Quel est le symbole utilisé pour dénoter l'énergie interne ?

R : Le symbole utilisé pour désigner l'énergie interne est U, ou parfois E.

Q : Quel type d'énergie l'énergie interne comprend-elle ?

R : L'énergie interne comprend l'énergie cinétique due au mouvement des molécules (translationnel, rotationnel, vibratoire) et l'énergie potentielle associée à l'énergie vibratoire et électrique des atomes au sein des molécules ou des cristaux. Elle comprend également l'énergie contenue dans toutes les liaisons chimiques et les électrons de conduction libre dans les métaux.

Q : L'énergie interne est-elle une fonction d'état ?

R : Oui, l'énergie interne est un potentiel thermodynamique et une fonction d'état d'un système.

Q : Quelle unité est utilisée pour mesurer l'énergie interne ?

R : L'unité SI pour mesurer l'énergie interne est le joule, bien que d'autres unités historiques telles que les calories soient toujours utilisées.

Q : Comment l'entropie affecte-t-elle les énergies internes ?

R : Pour un système thermodynamique fermé maintenu à une entropie constante, ses énergies internes seront minimisées.

Q : Peut-on calculer les énergies internes du rayonnement électromagnétique ou du rayonnement du corps noir ?

R : Oui, il est possible de calculer les énergies internes du rayonnement électromagnétique ou du rayonnement du corps noir.

Q : Les étiquettes des aliments sont-elles exactes lorsqu'elles indiquent les calories ?

R : Non, les étiquettes des produits alimentaires ne sont pas exactes lorsqu'elles énumèrent les calories, car elles se réfèrent en fait plutôt à des kilo-calories.