내부 에너지

내부 에너지는 열역학 계가 가지는 에너지의 총합으로, 계를 구성하는 분자, 원자, 이온 등의 미시적인 운동 에너지와 위치 에너지의 합으로 정의된다. 기호로는 주로 U 또는 E로 나타낸다. 내부 에너지는 계의 상태에 따라 결정되는 상태 함수이며, 계의 절대적인 에너지 값은 알 수 없지만 에너지 변화량(ΔU)은 측정 가능하다.

내부 에너지는 다음과 같은 요인에 의해 영향을 받는다.

• 분자 운동: 분자, 원자, 이온 등이 무작위로 움직이는 운동 에너지 (병진, 회전, 진동 운동)
• 분자 간 상호작용: 분자 간 인력 및 척력에 의한 위치 에너지 (반 데르 발스 힘, 수소 결합 등)
• 원자 내 에너지: 원자핵과 전자 간의 상호작용 에너지, 전자 에너지 준위 등
• 핵 에너지: 원자핵 내부의 에너지 (화학 반응에서는 일반적으로 무시됨)

열역학 제1법칙에 따르면, 닫힌 계의 내부 에너지 변화(ΔU)는 계가 흡수한 열(Q)과 계가 한 일(W)의 합으로 나타낼 수 있다. 즉, ΔU = Q - W 이다. 여기서 일은 계가 외부로 에너지를 전달하는 것을 의미하며, 흡열 반응(Q > 0)은 내부 에너지를 증가시키고, 발열 반응(Q < 0)은 내부 에너지를 감소시킨다. 또한, 계가 일을 하면(W > 0) 내부 에너지가 감소하고, 계가 외부로부터 일을 받으면(W < 0) 내부 에너지가 증가한다.

내부 에너지는 열역학적 과정을 분석하고 이해하는 데 중요한 개념이며, 엔탈피, 깁스 자유 에너지 등 다른 열역학적 함수와 밀접하게 관련되어 있다. 특히 화학 반응에서는 반응열을 계산하거나 반응의 자발성을 예측하는 데 활용된다.