자체 에너지

자체 에너지 (영어: Internal energy)는 열역학 계 내부에 존재하는 에너지의 총합을 의미한다. 거시적인 관점에서 계의 운동 에너지나 위치 에너지는 포함하지 않으며, 계를 구성하는 분자, 원자, 이온 등의 미시적인 운동 에너지 (병진, 회전, 진동)와 위치 에너지 (분자 간 상호작용에 의한 퍼텐셜 에너지, 원자 내 전자와 핵 사이의 상호작용 에너지 등)를 모두 합한 값이다.

자체 에너지는 계의 상태에 의존하는 상태 함수이며, 경로에 의존하지 않는다. 따라서 계의 상태 변화 과정에서 자체 에너지의 변화량 (ΔU)은 처음 상태와 나중 상태에 의해서만 결정된다. 자체 에너지는 절대적인 값을 측정하기 어렵고, 보통은 변화량의 형태로 다루어진다.

자체 에너지의 변화는 주로 열 (heat, Q)과 일 (work, W)을 통해 발생한다. 열역학 제1법칙에 따르면, 고립계의 자체 에너지 변화는 외부로부터의 에너지 출입 (열과 일)과 같다. 즉, ΔU = Q - W (계가 한 일은 음수로 처리)로 표현된다.

자체 에너지는 열역학 및 통계역학에서 매우 중요한 개념으로, 엔탈피, 깁스 자유 에너지 등 다른 열역학적 성질을 정의하는 데 기초가 된다. 또한, 화학 반응의 에너지 변화를 설명하고 예측하는 데에도 활용된다. 예를 들어, 화학 반응에서 방출되거나 흡수되는 열 (반응열)은 반응물과 생성물의 자체 에너지 차이와 관련된다.

자체 에너지는 온도, 압력, 부피 등 계의 상태 변수와 밀접한 관련이 있으며, 이상 기체의 경우 자체 에너지는 온도에만 의존한다. 실제 기체나 액체, 고체의 경우 분자 간 상호작용이 존재하므로 온도 뿐 아니라 부피에도 영향을 받는다.