Внутренняя энергия идеального газа

Теория тепловых процессов, в которой не учитывается молекулярное строение тел, называется термодинамикой. Одно из исходных понятий теории — термодинамическая система. Это совокупность взаимодействующих тел, которые обмениваются энергией и веществом^[2].

Важная характеристика такой системы — внутренняя энергия. Это энергия, которая зависит от внутреннего строения тел. Она включает кинетическую энергию теплового движения частиц и потенциальную энергию их взаимодействия.

Для идеального газа внутренняя энергия равна кинетической энергии молекул, потому что потенциальная энергия взаимодействия равна нулю.

Если проводить вычисления внутренней энергии одноатомного идеального газа, например гелия или неона, то средняя кинетическая энергия одной молекулы газа равна:

${\displaystyle E_{k}={\frac {3}{2}}kT}$

где ${\displaystyle k}$ — постоянная Больцмана; ${\displaystyle T}$ — абсолютная температура.

Внутренняя энергия идеального газа прямо пропорциональна его абсолютной температуре. От объёма газа она не зависит. Внутренняя энергия газа представляет собой среднюю кинетическую энергию всех его атомов.

Если центр масс газа движется со скоростью v₀, то полная энергия газа равна сумме механической (кинетической) энергии ${\displaystyle {\frac {mv_{0}^{2}}{2}}}$ и внутренней энергии U:

${\displaystyle E={\frac {mv_{0}^{2}}{2}}+{\frac {3}{2}}{\frac {m}{M}}RT}$.