Внутренняя энергия идеального газа равна суммарной кинетической энергии движения молекул:
Внутренняя энергия одного моля идеального газа равна:
(4.2.20)
Внутренняя энергия произвольного количества газа массы определится по формуле:
(4.2.21)
Из (4.2.21) следует, что внутренняя энергия идеального газа является функцией только температуры газа. таким образом, - функция состояния газа, зависящая только от параметров газа в данном состоянии и независящая от способа, каким газ был приведен в это состояние.
Следует подчеркнуть, что кинетическая энергия направленного движения молекул не дает вклада во внутреннюю энергию. Потенциальная энергия молекул во внешнем силовом поле тоже не дает вклада во внутреннюю энергию.
Изменить внутреннюю энергию газа можно, совершив над газом работу, например, двигая поршень (см. рис. 4.2.5).
Рис. 4.2.5 а,б. Изменения скорости молекул газа при различных направлениях движения поршня
При упругих соударениях молекул газа с поршнем скорость молекул изменяется. При этом энергия направленного движения поршня переходит сначала в энергию направленного движения молекул, а затем в результате столкновений молекул между собой – в энергию хаотического движения молекул (рис. 4.2.5а). Возможен и обратный процесс (рис. 4.2.5 б). Если газ двигает поршень при расширении, энергия хаотического движения молекул переходит в механическую энергию поршня. Происходит переход энергии из одних форм в другие: если над газом совершается работа, механическая энергия переходит в энергию хаотического теплового движения молекул, и наоборот.
Изменить внутреннюю энергию тела можно и в процессе теплопередачи, когда не совершается работа, а изменение внутренней энергии происходит за счет упругих столкновений молекул менее нагретого тела с молекулами более горячего тела, в результате кинетические энергии молекул холодного тела увеличиваются, а горячего – уменьшаются. В процессе теплопередачи не происходит перехода энергии из одной формы в другую: внутренняя энергия более горячего тела переходит во внутреннюю энергию менее горячего. Количественную меру изменения внутренней энергии при теплопередаче называют количеством теплоты, или просто - теплотой Q.
Как уже отмечалось выше, движение молекул в газе можно разложить на две составляющие: хаотическую и направленную. Если сложить скорости всех молекул в небольшом объеме газа и разделить на число молекул в этом объеме, получится средняя гидродинамическая скорость среды в данной точке: . Эта скорость определяет механическую энергию газа, энергию, обусловленную направленным движением. Разность , характеризует хаотическую компоненту скорости и, в соответствии с (4.2.15), определяется температурой. Переход энергии хаотического движения молекул в механическую энергию направленного движения и обратно составляет содержание первого и второго начал термодинамики с точки зрения статистической физики.