作为系统状态的内能
各种形式的能量是相互联系的，在一定条件下它们可以从一种形式转换为另一种形式。被称为热力学的科学领域与研究各种能量及其转换有关。在热力学中，系统是指被观察的宇宙的一部分，而周围是指宇宙的其余部分，而不是系统的一部分。每种物质都有特定的能量，这取决于物质的类型，例如温度和压力。内部能量是对此的术语。作为状态函数或系统状态的内部能量变化将在下面进一步描述。
什么是系统状态？
一个系统的状态被定义为当它的宏观特征具有确定值时它的存在状态。如果系统的任何宏观特征发生变化，则称系统状态发生变化。状态变量是描述系统状态所需的可测量属性。状态变量是温度、压力、体积、成分等。考虑由理想气体形成的系统的情况。只有三个变量，例如温度、压力和体积，可以定义该系统的状态。
状态函数是一种系统属性，其值完全由系统状态决定，不受达到该状态的路径或方法的影响。系统的初始状态和最终状态，而不是获得它们的路径，决定了这些属性值的变化。
系统的热力学状态是一个关键术语。系统在任何给定时间都处于某种特定状态，这可以使用与我们的目标相关的宏观属性值来描述。系统的当前状态由这些特征在任何给定时间的值定义。每当这些属性的值发生变化时，状态就会发生变化。如果稍后可以发现每个重要属性都具有与之前的时间点相同的值，则可以观察到系统已恢复到之前的状态。
The state of the system should not be mixed up with the type of physical state or phase aggregation state. A change of state refers to a shift in the system’s state rather than a phase transition.
内能
每种物质都有特定的能量，这取决于物质的化学性质、温度和压力等因素。术语“内能”或“内能”是指这种类型的能量。字母 U 用于表示它（之前它由符号 E 表示）。它由单个粒子的动能和势能组成。
平移能、有理能、振动能和其他形式的动能都是从其粒子的运动中产生的。电子能、分子相互作用产生的能量、核能和其他类型的粒子之间的相互作用都对势能有贡献。
尽管传统的热力学关注的是材料的宏观特征，例如温度、压力和体积，但在微观层面上，热能被理解为构成物质的分子运动动能的上升。例如，气体分子的平移动能与气体的温度成正比，分子可以围绕其质心旋转，组成原子可以相对于彼此振动。
化学能也储存在将分子结合在一起的键中，分子之间较弱的远程相互作用需要更多的能量。处于特定热力学状态的物质的总内能是所有这些能量的总和。系统的总能量包含其内部能量以及任何外部能量来源，例如来自系统整体运动的动能和来自其高度的重力势能。
Internal energy is the sum of all forms of energy stored in atoms or molecules.
根据组成原子、键的性质以及各种温度、压力和其他条件，不同的物质具有不同的内能。即使在相同的温度和压力条件下，1 摩尔二氧化碳的内能也将不同于 1 摩尔二氧化硫的内能。此外，在相同的大气压下，一摩尔水在 300K 的内能与一摩尔水在 310K 的内能不同。
作为系统状态的内能
各种热力学特性，例如压力、体积、温度、内能和焓，可用于定义热力学系统。它们分为两类：状态函数和路径函数。状态函数是系统的属性，其值由系统的初始状态和最终状态决定。这些类型的函数解释了函数的平衡状态，并且不受系统如何到达那里的影响。例如，内能是一个状态函数，它独立于改变系统状态的路径。
它是一个系统的整体能量。这由许多成分组成，包括分子平移动能、键能、电子能和系统成分粒子的分子间相互作用能等。内能受压力、体积和温度等因素的影响。此列表中的所有变量都是状态函数。质量、体积、压力、温度、密度和熵都是状态函数的例子。一些因素受到物质存在量的影响。密集属性是与存在的物质数量无关的因素。
密度就是一个例子。状态函数是系统的一种属性，它只依赖于系统的状态，而不依赖于实现它的过程。内部能量独立于从一个条件到下一个条件的路径。这取决于系统的当前状态。
由于系统中存储了不同类型能量的准确值，例如平移、振动、有理、化学等，因此不可能计算出物质所具有的内能的绝对值。两种状态的内能之差可用于计算反应内能的变化。
让我们将状态 A 和 B 中的内部能量分别表示为 U A和 U B 。两种状态之间的内能差为，
ΔU=U B – U A
The internal energy difference (∆U) has a set value and is unaffected by the path followed between two states A and B. The difference between the products’ and reactants’ internal energies, i.e. the change in internal energy, can be considered for chemical reactions.
∆U=Uproducts – Ureactants
∆U =Up – Ur
where Up denotes the internal energy of the products, Ur denotes the internal energy of the reactants, and ∆U denotes the internal energy change.
如果产物的内能大于反应物的内能，则 ΔU 为正。
这意味着如果 U p > U r ，则∆U =U p – U r = 正数。
如果产物的内能小于反应物的内能，则ΔU为负。
这意味着如果 U p < U r ，则∆U =U p – U r = 负数。
As a result, the internal energy, U, is a state system, that is, the internal energy is a property of the system whose value is solely determined by the system’s state. This means that the difference in internal energy U is independent of the path and only depends on the initial and final states.
示例问题
问题一：内能有什么意义？
回答：
Since the possible energies between molecules and atoms are crucial, the internal energy is important for understanding phase shifts, chemical reactions, nuclear events, and many other microscopic phenomena. In a vacuum, both objects have macroscopic and microscopic energy.
问题2：什么影响内能？
回答：
Internal energy can be changed by altering the temperature or volume of an object without changing the number of particles inside. As the temperature of a system rises, the molecules move faster, resulting in higher kinetic energy and hence an increase in internal energy.
问题3：内能是状态函数吗？
回答：
A state function describes the equilibrium state of a system, as well as the system itself. Since the internal energy U is defined by the quantities that determine the state of the system at equilibrium, it is called a state function because any change in energy is entirely determined by the system’s initial and final states.
问题4：内能是否受系统路径的影响？
回答：
The internal energy U is totally defined by the quantities that determine the equilibrium state of the system, therefore any change in energy is entirely governed by the system’s initial and final states. As a result, the internal energy is independent of the system’s path.
问题5：内能差何时为负？
回答：
When the internal energy of the products is smaller than the internal energy of the reactants, i.e. Up < Ur then the internal energy difference ∆U will be negative.