Pojęcie energii wewnętrznej związane jest z działem nauki zwanym termodynamiką. Tak więc w pierwszej kolejności należy zapoznać się z podstawowymi pojęciami z tego zakresu.

Po pierwsze należy zdefiniować układ termodynamiczny. Ogólni mówiąc układem termodynamicznym nazywa się fragment przestrzeni materialnej, który stanowi przedmiot badań i rozważań. Przestrzeń ta jest oddzielona od otoczenia rzeczywistą lub abstrakcyjną granicą. I tak układy termodynamiczne można podzielić na trzy grupy. Tak więc wyróżnia się:

- układ izolowany - jest to taki układ, którego brzegi uniemożliwiają jakąkolwiek wymianę masy czy energii między układem a otoczeniem

- układ zamknięty - jest to układ, w którym nie ma możliwości wymiany materii z otoczeniem, natomiast swobodnie może dokonywać się wymiana energii

- układ otwarty - w układzie tym może dochodzić do swobodnej wymiany masy i energii pomiędzy układem a otaczającą go przestrzenią.

Dodatkowo układy otwarte dzieli się jeszcze na trzy grupy. Są to:

  • układy pierwszego typu - są to układy charakteryzujące się tym, że ich stan jest zbliżony do stanu równowagi termodynamicznej. Układy te podlegają prawom liniowej termodynamiki procesów nieodwracalnych.
  • układy drugiego typu - w układach tych szybkość dopływu energii jest mniejsza od tempa rozpraszania tej energii. Układy te podlegają prawom termodynamiki nieliniowej.
  • układy trzeciego typu - charakteryzują się tym, że prędkość dopływu energii do układu jest zawsze większa od szybkości jej rozpraszania.

Dodatkowo układy termodynamiczne można podzielić na układy homogeniczne i heterogeniczne. Układ nosi nazwę układu homogenicznego wówczas jeśli wszystkie własności makroskopowe układu są takie same we wszystkich częściach tego układu. W układach heterogenicznych natomiast dochodzi do nieciągłej zmiany przynajmniej jednaj z własności układu.

Wielkościami jednoznacznie określającymi stan układu w danym momencie są tzw. funkcje stanu. Są to wielkości fizyczne zależne od makroskopowych wielkości zwanych parametrami stanu. Są to : ciśnienie (p), objętość (V), temperatura (T) oraz liczność materii wyrażana jako liczba moli (n). Parametry stanu są powiązane równaniem Clapeyrona. Ma ono postać:

pV = nRT

Najważniejszą cechą każdej funkcji stanu jest jej niezależność od drogi przemiany. Ważna jest więc tylko wartość danej funkcji stanu na początku i na końcu każdej przemiany termodynamicznej. Natomiast nie jest ważny sposób, w jaki doszło do wykonania tej zmiany.

Do funkcji stanu zalicza się takie wielkości jak:

  • energia wewnętrzna
  • entalpia
  • entropia
  • energia swobodna
  • entalpia swobodna.

Funkcjami stanu nie są zarówno praca jak i ciepło, nie spełniają bowiem nałożonych na te wielkości warunków.

Układ termodynamiczny znajduje się w stanie równowagi termodynamicznej tylko wówczas jeśli nie dochodzi do zmiany wartości parametrów stanu. Natomiast zmiana parametrów oznacza przejście do innego stanu równowagi czyli zjawisko zwane procesem termodynamicznym.

Podstawową wielkością termodynamiczną jest energia wewnętrzna, która stanowi fragment całkowitej energii układu. Na energię całkowitą składają się trzy rodzaje energii. Jest to energia kinetyczna układu jako całości, energia potencjalna układu zależna od pola sił zewnętrznych oraz energia wewnętrzna. Można zatem powiedzieć, ze energia wewnętrzna stanowi różnicę między całkowitą energią układu a makroskopową energią kinetyczną i potencjalną.

Energia kinetyczna układu zależy od jego masy oraz od prędkości układu jako całości. Energia potencjalna związana jest z oddziaływaniem: pole sił - układ. Natomiast energia wewnętrzna jest sumaryczną energią poszczególnych drobin składających się na układ. Natomiast energia każdej z drobin składającej się na układ to suma siedmiu rodzajów energii.

Są to:

- energia translacyjna - stanowi ją energia kinetyczna ruchu postępowego drobiny ()

- energia rotacyjna - jest to także energia kinetyczna, ale tym razem ruchu obrotowego danej drobiny ( )

- energia oscylacyjna - stanowi ją energia ruchu drgającego jąder. Drgania te to oscylacje wokół położenia równowagi, mogą zachodzić na sposób zmiany długości wiązań lub też kątów między wiązaniami. W trakcie oscylacji energia oscylacyjna przechodzi z postaci energii kinetycznej w energię potencjalną i odwrotnie. Energia oscylacyjna dotyczy tylko cząsteczek, nie maja jej natomiast pojedyncze atomy. ( )

- energia elektronowa - jest to energia kinetyczna i potencjalna związana z ruchami elektronów zarówno w polu jądra jak i innych elektronów. ( )

- energia oddziaływań międzydrobinowych - jest to forma energii potencjalnej wynikającej z przebywania drobin w polach , których źródłem są inne drobiny. ( )

- energia jądrowa ( )

- pozostałe rodzaje energii, które mogą być związane z drobinami, a do tej pory nie zostały jeszcze zidentyfikowane. ( )

Tak więc energia pojedynczej drobiny gazu może zostać wyrażona jako suma:

 =  +  +  +  + +  +

Jeżeli układ skalda się z bardzo dużej liczby drobin to energia wewnętrzna takiego układu stanowi sumę poszczególnych rodzajów energii drobin, czyli może być wyrażona równaniem:

U =  +  +  +  +   +  +

Charakterystyczne jest, że dla poszczególnych drobin zmiana wymienionych w równaniu form energii może odbywać się tylko skokowo. Jest to związane z faktem, iż energia jest wielkością skwantowaną. Dopiero energie układu zawierającego dużą liczbę drobin mogą ulegać zmianie w sposób ciągły. Wielkość kwantów energii zależy od rodzaju energii. I tak kwanty energii jądrowej mają zdecydowanie największą wartość natomiast kwanty energii translacyjnej najmniejszą.

Na pytanie od czego zależy energia wewnętrzna odpowiedź podaje pierwsza zasada termodynamiki. Mówi ona, że energia wewnętrzna jest funkcja makroskopowych parametrów stanu. Nie można jednak podać bezwzględnej wartości energii wewnętrznej układu w danej chwili. Można jedynie zmierzyć lub obliczyć zmianę energii wewnętrznej. Wiadomo, że istnieją dwie możliwości zmiany energii wewnętrznej, albo na sposób pracy albo na sposób ciepła. Mówi o tym jedno ze sformułowań pierwszej zasady termodynamiki. Zmiana energii na sposób pracy jest sposobem mechanicznym natomiast zmiana na sposób ciepła to sposób termiczny.

Praca pojawiająca się w równaniach termodynamicznych oznacza pracę objętościową. Jest to więc przesuwanie wszystkich drobin układu w takim samym kierunku.

Jeśli w wyniku reakcji następuje wzrost objętości gazowych produktów w stosunku do objętości gazowych substratów wówczas oznacza to , że to układ wykonuje pracę nad otoczeniem. Dlatego umownie taka praca ma wartość ujemną. Jeśli natomiast otoczenie wykonuj pracę nad układem, wówczas jej znak jest dodatni.

Wymiana energii na sposób ciepła jest możliwa tylko wtedy jeśli układ ma inną temperaturę niż otoczenie. Ciepło przepływa od ciała , które ma wyższą temperaturę do ciała o temperaturze niższej.

Widać więc , że ciepło i praca są tylko sposobami przekazywania energii , natomiast w żadnym razie nie stanowią oddzielnych jej rodzajów. Zrozumiano to dopiero stosunkowo niedawno.

Zmianę energii wewnętrznej wyraża w ogólny sposób równanie Helmholtza. Ma ono postać:

W powyższym równaniu W oznacza pracę, a Q ciepło.

Zachodzi jednak konieczność wprowadzenia jeszcze termodynamicznej konwencji znakowania efektów. Dzieje się tak ponieważ pracę może wykonywać układ, ale i praca może być wykonywana nad układem. Podobnie rzecz wygląda z ciepłem. Ciepło może być do układu dostarczane, ale i układ może oddawać ciepło. Dlatego przyjmuje się, że energia dostarczana do układu czy to na sposób pracy czy na sposób ciepła ma znak "+". Natomiast energię oddawaną przez układ otoczeniu przyjęło się przedstawiać ze znakiem minus.

Znak energii pozwala rozróżnić dwa rodzaje reakcji: endo - i egzoenergetyczne. Jeżeli układ, w którym zachodzi dana reakcja utrzymywany w warunkach izotermiczno - izobarycznych pobiera energię z otoczenia wówczas wiadomo, że w układzie zachodzi reakcja endoenergetyczna . W tej sytuacji znak energii będzie dodatni.

Reakcja jest natomiast egzoenergetyczna, jeśli energia jest przekazywana z układu do otoczenia. Znak zmiany energii wewnętrznej jest zatem ujemny.

Układ może wymieniać z otoczeniem tylko ta część energii, która w danym momencie ma postać energii kinetycznej czyli jest energią translacyjno - rotacyjną. Pozostałe rodzaje energii nie mogą być wymienione w sposób bezpośredni, muszą być najpierw zamienione na wymienialne formy energii.

Jedną z podstawowych zasad w fizyce jest zasada zachowania energii. Według niej jeżeli dany układ jest układem izolowanym czyli jak wcześniej zostało powiedziane nie wymienia masy ani energii z otoczeniem wówczas całkowita energia tego układu jest wielkością stałą. Nie może zatem dochodzić do samoczynnego powstawania lub zaniku energii. Energia może jedynie przechodzić z jednej formy w drugą.

Zgodnie z założeniami teorii względności Alberta Einsteina pomiędzy energią a masa zachodzi równoważność. Przedstawia to słynny wzór : . Efekt ten został ostatecznie potwierdzony w badaniach z zakresu fizyki jądrowej. Wiadomo bowiem, że w masa jądra jest mniejsza od sumarycznej masy nukleonów wchodzących w jego skład. Różnica ta nosi nazwę defektu masy. Różnicy masy jest równoważna energia , która wydziela się w trakcie przekształcania się swobodnych nukleonów w jądro.

Dlatego też biorąc pod uwagę równoważność masy i energii mówi się ogólnie o prawie zachowania materii czyli obu tych wielkości.

Układ może zgromadzić energię w postaci energii kinetycznej, potencjalnej i wewnętrznej. Wszystkie te formy energii mogą ulegać wzajemnej konwersji lub mogą być przekazywane do otoczenia lub do innego układu.

Przemysł energetyczny jest w stanie wykorzystywać każdą z tych form energii, a finalnym produktem jest energia użytkowa czyli ta , która dociera do naszych mieszkań. W przemyśle energetycznym można wyróżnić kilka gałęzi wykorzystujących inny rodzaj energii.

I tak :

* elektrownie węglowe - elektrownie bazujące na konwencjonalnym źródle energii jakim jest węgiel. Wykorzystują one energię wewnętrzną paliwa kopalnego czyli węgla kamiennego lub brunatnego.

* elektrownie wiatrowe (aeroenergetyka)- wykorzystują energię kinetyczną wiatru czyli ruchu cząsteczek powietrza. Przetwarzaniem energii mechanicznej na elektryczną zajmują się silniki wiatrowe w wiatrowych elektrowniach.

* elektrownie wodne - w elektrowniach tych wykorzystywana jest energia potencjalna wody zgromadzonej w dużych zbiornikach wodnych. W trakcie przepływu wody energia potencjalna przekształcana jest w energię kinetyczną wody i to właśnie ona wprawia w ruch turbiny elektrowni wodnych. Wykorzystywana jest zarówno energia wód rzecznych jak i energia pływów morskich.

* elektrownie jądrowe - wykorzystują energię wewnętrzną paliwa jakim jest materiał rozszczepialny. Dla jąder ciężkich mianowicie bardziej korzystny energetycznie jest podział na dwa mniejsze jądra. Suma mas tych jąder jest mniejsza niż masa jądra ulegającego rozszczepieniu. Masa ta zgodnie ze wspomnianym wcześniej wzorem Einsteina o równoważności masy i energii jest zamieniana na energię, która w dużej ilości jest emitowana w procesach rozszczepienia.

* elektrownie słoneczne - wykorzystują energię, która wraz z promieniowaniem słonecznym trafia na powierzchnię naszej planety. Jest to promieniowanie elektromagnetyczne, które może być zamieniane zarówno na energię cieplną w kolektorach słonecznych, jak i na energię elektryczną w elektrowniach słonecznych.

* elektrownie geotermalne - wykorzystują ciepło wnętrza Ziemi. Ciepło to zmagazynowane jest w magmie i skałach pod powierzchnią ziemi. Powoduje ono nagrzewanie się wody do wysokich temperatur i właśnie ta woda wydobywana na zewnątrz jest źródłem energii. W zależności od temperatury jaką posiada może być wykorzystana jako źródło energii cieplnej lub elektrycznej.

W przyrodzie znane są trzy sposoby przenoszenia ciepła. Może to być zatem : 

* przewodnictwo cieplne

* konwekcja (unoszenie)

* promieniowanie

Przewodnictwo cieplne zwane jest inaczej przewodnością cieplną lub współczynnikiem przewodzenia ciepła. Jest to wielkość, która definiuje zdolność danego materiału do przewodzenia ciepła. Im jest ona większa tym więcej ciepła może przepłynąć przez substancję, która ona określa.

Przewodność cieplna zależy od wielu czynników związanych z danym materiałem, a mianowicie od składu chemicznego , typu budowy a także postaci fizycznej materiału i jego temperatury.

Dla metali przewodnictwo cieplne ma zdecydowanie większa wartość niż dla izolatorów. Tak więc wydaje się, ze w tym transporcie ciepła decydującą rolę odgrywa gaz elektronowy. Elektrony z tej swobodnie przemieszczającej się w metalu chmury ulegają zderzeniom z atomami metalu i następuje przekaz energii.

Z przewodnictwem cieplnym pomiędzy dwoma ciałami będziemy mieli do czynienia wówczas, jeśli pomiędzy nimi wystąpi różnica temperatur. Jest to warunek konieczny. Drugim sposobem przenoszenia ciepła jest konwekcja. Jest to proces transportu ciepła zachodzący dzięki ruchom materii w obrębie dowolnego płynu. W obrębie konwekcji można wyróżnić konwekcję swobodną i konwekcję wymuszoną.

Konwekcja swobodna zachodzi wskutek ruchów w obrębie płynu zachodzących na skutek różnic gęstości w danej substancji , która znajduje się pod działaniem pola grawitacyjnego. Z konwekcją swobodną mamy do czynienia np. w atmosferze kiedy to warstwy powietrza najbliższe powierzchni ziemi ogrzewają się od niej. Taka konwekcja , która zachodzi w atmosferze i wodzie odgrywa dużą rolę w kształtowaniu klimatu i stanów pogodowych na naszej planecie.

Drugi rodzaj konwekcji to konwekcja wymuszona. Występuje wówczas , gdy ruchy środowiska ciekłego lub gazowego zależą od różnicy ciśnień, która powstała w tym środowisku w sposób niezależny od naturalnych procesów. Konwekcja wymuszona jest zatem powodowana sztucznie np. dzięki działaniu różnych urządzeń.

Ostatni sposób przenoszeni energii to promieniowanie cieplne. Transport energii odbywa się tutaj dzięki falom elektromagnetycznym. Jak wiadomo fale te do rozchodzenia się nie potrzebują ośrodka materialnego i dzięki temu promieniowanie może docierać ze Słońca na Ziemię, przebywając przestrzeń kosmiczną, w której panuje próżnia. Widać więc od razu różnice między promieniowaniem a konwekcją , która zachodziła tylko w środowisku płynnym.

Promieniowanie cieplne zwane jest inaczej promieniowaniem termicznym i jest emitowane przez wszystkie ciała, których temperatura jest większa od zera bezwzględnego. Ciała mają także zdolność absorpcji promieniowania termicznego. Oba te procesy zachodzą równocześnie. Jeśli ciało znajdzie się w otoczeniu o niższej temperaturze niż samo posiada to wychładza się ponieważ proces emisji zaczyna przeważać nad absorpcją. Tempo obu procesów będzie takie samo gdy osiągnięty zostanie stan równowagi termodynamicznej.

Promieniowanie termiczne jest związane z przejściami elektronów pomiędzy dozwolonymi poziomami energetycznymi w danym ciele. Przejścia pomiędzy poziomami: oscylacyjnymi i rotacyjnymi powiązane są z emitowaniem lub absorbowaniem promieniowania elektromagnetycznego, którego kwanty energii wynoszą od . Zatem podczas takich przejść absorbowane lub emitowane jest promieniowanie o określonych długościach fali. Są one zawarte w przedziale 0.76 - 1000 . Zakres ten to właśnie promieniowanie termiczne zwane także podczerwienią. Nazwa wynika z faktu, iż zakres ten graniczy z dalszą częścią widma fal elektromagnetycznych, a konkretniej z promieniowaniem widzialnym właśnie od strony barwy czerwonej.

Jesteśmy organizmami stałocieplnymi. Warto wić zastanowić się jakie mechanizmy transportu ciepła związane są z naszymi ciałami.

I tak wiadomo, ze w stanie stacjonarnym nie następuje zmiana energii wewnętrznej organizmu. Zatem strumień cieplny, który zostaje wytworzony w procesach metabolicznych zachodzących w naszym organizmie i jest transportowany do zewnętrznych powłok ciała oraz strumień cieplny doprowadzany z zewnątrz musza być równe strumieniowi cieplnemu oddawanemu przez organizm otoczeniu.

Ciepło , które powstaje wewnątrz organizmu jest transportowane do zewnętrznych powłok ciała na drodze przewodnictwa cieplnego oraz konwekcji.

Natomiast transport ciepła między organizmem a otoczeniem zależy od tego jaki ośrodek stanowi to otoczenie. Jeśli środowiskiem otaczającym jest powietrze wówczas wytworzone w organizmie ciepło jest transportowane do otoczenia za pomocą mechanizmu konwekcji, parowania oraz promieniowania. Ilość emitowanego promieniowania jest oczywiście zależna od temperatury ciała.

Mechanizmem, który zapobiega nadmiernemu wzrostowi temperatury ciała jest parowanie. Jest to proces fizyczny polegający na przekształcaniu się wody ciekłej w parę wodną. Jest to endotermiczny i dzięki temu, że wykorzystuje energię cieplną wygenerowaną wewnątrz organizmu nie dopuszcza do jego przegrzania.

Jeśli natomiast organizm znajduje się w wodzie , wówczas oczywiście nie ma mowy o parowaniu, a przekazywanie ciepła z organizmu do otoczenia odbywa się dzięki przewodnictwu cieplnemu i konwekcji energii.

Organizmy stałocieplne charakteryzują się złożonym zmiennym w czasie przestrzennym rozkładem temperatur. Jest to związane z faktem, że bez przerwy w poszczególnych narządach produkowane są różne , trudne do określenia ilości ciepła. Narządy te charakteryzują się nieregularnością kształtów oraz różną izolacją. Ponadto cały czas ciepło transportowane jest konwekcyjnie przez krew. Z tych powodów wprowadza się podział organizmu na tzw. jądro, które jest w pełni stałocieplne oraz powłokę, gdzie występują rozmaite wahania temperatur. Szacuje się, ze powłoka stanowi około 20 - 35 procent masy ciała pod warunkiem, że występują tylko niewielkie wahania temperatury otoczenia. Przy większych zmianach powłoka może stanowić nawet 50 procent masy ciała. W przypadku człowieka temperatura jądra organizmu jest równa około 37 stopni C.

Jak wiadomo, na podstawie temperatury skóry człowieka można określić stan pacjenta. Jest ona bowiem wynikiem równowagi termodynamicznej między ciepłem , które powstaje w organizmie człowieka i jest do powłok skórnych transportowane przez krew a ciepłem oddawanym do otoczenia na drodze promieniowania, konwekcji lub parowania. Ogniska chorobowe natomiast są w stanie dokonywać bądź bezpośrednio zmian temperatury ciała bądź wywoływać takie zmiany we własnościach tkanek, które prowadzą do zaburzeń w przewodnictwie cieplnym. Skutkiem tego jest również zmiana temperatury skóry.