能量的宏觀表現

內能是一種熱力學狀態函數，描述系統中包含的能量，不包含外部力場產生的系統總體動能和位能。熱力學系統的內能可以通過熱傳遞、功的實施或物質的添加或移除而改變。

內能的特徵

內能是一種狀態函數，僅取決於系統的當前狀態，與達到該狀態的途徑或過程無關。內能是一種廣泛性質，即其值與系統的大小或物質數量成正比。內能是熱力學中的一個基本勢，通過勒壤得轉換，可以從內能構造出其他熱力學勢。

微觀解釋

從微觀角度來看，內能可以分解為系統微觀運動（平移、旋轉、振動）產生的微觀動能和與系統組成成分的化學鍵和其他微觀力相關的微觀位能。

理想氣體模型

在熱力學中，理想氣體模型經常被用於教學目的和作為工作系統的近似。理想氣體由被認為是點粒子的粒子組成，這些粒子僅通過彈性碰撞相互作用，其平均自由程遠大於其半徑。這種系統的內能變化可以用動能的變化來描述。

封閉系統的內能變化

對於封閉系統，即不能傳遞物質的系統，內能變化僅由熱傳遞和功的實施引起。功可以是體積功或無體積功。

能量的單位

能量的國際單位是焦耳 (J)。有時，使用單位質量的內能（稱為比內能）會更加方便。比內能的國際單位是 J/kg。如果比內能按物質數量（摩爾）表示，則稱為摩爾內能，其單位為 J/mol。

內能與統計力學

從統計力學的角度來看，內能等於系統總能量的系綜平均值。

其他相關概念

• 內能參考值：由於無法直接測量系統的內能，通常會選擇一個具有已知內能參考值的參考狀態，並通過熱力學操作和過程，從參考狀態轉換到給定狀態，以確定給定狀態的內能值。
• 潛能：當系統在加熱過程中發生相變時，觀察到在整個轉變完成之前，系統的温度不會改變。這種添加到系統中但不會改變系統温度的能量稱為潛能或潛熱。
• 熱能：統計力學將微觀平均動能與宏觀可見系統的温度聯繫起來。這種能量通常被稱為系統的熱能，並與人們對冷熱的體驗聯繫起來。

內能：系統中能量的總和

內能是指封閉系統中所有組成部分的能量總和，包括：

• 分子動能：分子內部的運動能量
• 分子勢能：分子之間的相互作用能量
• 電子動能：電子本身的運動能量
• 電子勢能：電子與原子核之間的相互作用能量

內能與系統的温度密切相關，温度越高，系統的內能也越高。系統的內能可以藉由以下方式改變：

• 做功：對系統施加外力
• 熱傳遞：與環境進行熱交換

內能與其他能量形式的關係

內能與其他能量形式之間存在著轉換關係：

內能與熱力學第一定律

根據熱力學第一定律，一個系統的內能變化量（ΔU）等於系統吸收的熱量（Q）減去系統對外界做的功（W）：

ΔU = Q - W

內能的單位和量綱

內能的國際單位制（SI）單位為焦耳（J）。其量綱為：

[內能] = [J]

實例

下表列出了一些常見物質的比熱容：

比熱容定義為單位質量的物質升高 1 °C 所需的熱量。根據熱力學第一定律，可以計算出系統的內能變化：

ΔU = mcΔt

其中：

• m 為系統質量
• c 為比熱容
• Δt 為温度變化量

例如，若 100 g 水温度升高 10 °C，其內能變化為：

總結

內能是封閉系統中所有組成部分的能量總和，與系統温度密切相關。內能可以經由做功或熱傳遞而改變，並且與其他能量形式之間存在著轉換關係。熱力學第一定律指出，系統的內能變化等於系統吸收的熱量減去系統對外界做的功。