ВНЕШНЯЯ И ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ

  Термин «энергия» (от греческого ενεργία – деятельность) был введен в механику в начале ХIX столетия авторитетным английским физиком Т. Юнгом вместо понятия «живой силы» и означал работу, которую может совершить исследуемое тело. Для механики, которая не рассматривала внутренние физико-химические процессы в телах, работа была единственным способом изменения энергии. При этом для облегчения решения ряда задач в механику было введено ограничительное понятие консервативной системы, для которой энергию можно было считать величиной сохраняющейся. С появлением термодинамики и теории теплообмена, рассматривавших теплоту тела как специфическую форму хаотического движения составляющих его частиц, а теплоту процесса – как количественную меру процесса обмена этой формой энергии, встал вопрос о соотношении теплоты и работы. На основании многочисленных экспериментов был установлен принцип эквивалентности теплоты Q и работы W. Основоположник термодинамики Р. Клаузиус сформулировал этот принцип следующим образом: "Во всех случаях, когда в круговом процессе из теплоты появляется работа, тратится пропорциональное работе количество тепла, и, наоборот, при затрате той же работы получается то же количество тепла" (Clausius,1876) [2]. Если теплоту и работу измерять в одних и тех же единицах международной системы СИ (т.е. положить механический эквивалент теплоты равным единице), принцип эквивалентности можно записать в виде соотношения:

где - элементарные количества теплоты и работы на отдельных стадиях рассматриваемого кругового процесса. 
Р. Клаузиус первым обратил внимание на то, что это соотношение не зависит от характера процесса. Отсюда в соответствии с известной теоремой о криволинейных интегралах следовало, что подынтегральное выражение представляет собой полный дифференциал некоторой функции состояния U, изменение которой равно алгебраической сумме теплоты и работы процесса1):

  Р. Клаузиус называл эту функцию изначально полной теплотой тела; В. Томсон – механической энергией тела в данном состоянии [2]. Такой разнобой говорит об отсутствии в то время единой точки зрения на содержание этого понятия. В дальнейшем функция U получила название внутренней энергии системы, а уравнение (2) - аналитического выражения 1-го начала термодинамики. Это выражение отражает постоянство энергии изолированной системы (U = const при Q , W = 0) и потому является одной из формулировок закона сохранения энергии.

  Не будет преувеличением сказать, что именно использование термина «энергия» (хотя бы и с добавлением «внутренняя») применительно к функции U, не измеряемой величиной работы, породило до сих пор не преодоленные трудности определения понятия энергии. Более того, это потребовало введения еще двух новых терминов, поскольку понятие внутренней энергии предполагало существование антипода – внешней энергии Евн, а также полной энергии Е как их суммы. Чтобы различить их, под Евн стали понимать ту часть энергии системы Е, которая не зависит от внутреннего состояния системы и определяется исключительно движением системы как целого относительно других тел и её взаимодействием с ними. Как и в механике, Евн измерялась работой, которую может совершить система при переходе из одной конфигурации в другую (принятую за начало отсчета). Однако впоследствии стало ясно, что часть внешней энергии все же зависит от внутреннего состояния системы. Например, в диэлектриках и магнетиках результирующее электрическое и магнитное поля зависят от температуры этих тел. При этом работа поляризации и намагничивания этих тел сопровождается совершением работы против внешних полей, т.е. изменяет как внешнюю, так и внутреннюю энергию. В некоторых частных случаях ситуацию удается упростить введением дополнительного понятия «собственной» внутренней энергии таких тел (без энергии поля в вакууме) [3]. Однако такое название является условным, поскольку внешнее поле уже изменено самим присутствием поляризованных или намагниченных тел. С появлением специальной теории относительности (СТО) выяснилось, что в движущихся телах вообще отсутствует какая-либо часть энергии, которая не зависела бы от скорости их движения [4]. Наконец, для замкнутых систем, подобных Вселенной, включающих всю совокупность взаимодействующих (взаимно движущихся) объектов, вся энергия является внутренней, так что деление энергии на внешнюю и внутреннюю для них вообще утрачивает смысл. Поскольку же многие положения механики и термодинамики относятся именно к замкнутым (изолированным) системам, потребность отразить в терминологии качественные различия форм энергии, приводящие к односторонней направленности естественных процессов, при этом сохраняется.

  Примечание. Выражение (2) отражает правило знаков в термодинамике: подведенное к системе тепло и совершенная ею работа положительны.