§ 5. Внутренняя энергия

ЭНЕРГИЯ МАКРОМИРА И МИКРОМИРА

• Два вида механической энергии: Из курса физики 7 класса известно, что макроскопические тела могут обладать двумя видами механической энергии:
  • Потенциальной энергией: энергией взаимодействия тел или частей одного и того же тела (сжатая или растянутая пружина, груз, поднятый над поверхностью Земли).
  • Кинетической энергией: энергией движущихся тел (летящая птица, мчащийся поезд, катящийся мяч).

• Микромир вещества: В любом физическом теле, независимо от того, покоится оно или движется, составляющие его молекулы находятся в непрерывном хаотическом тепловом движении и непрерывно взаимодействуют между собой силами взаимного притяжения и отталкивания. Следовательно, молекулы любого вещества одновременно обладают как кинетической, так и потенциальной энергией.

ПОНЯТИЕ ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИИ ($U$)

• Определение: Сумму кинетической энергии хаотического теплового движения всех молекул тела и потенциальной энергии их взаимодействия друг с другом называют внутренней энергией тела.

• Обозначение и единицы измерения: Внутренняя энергия обозначается заглавной латинской буквой $U$ и в Международной системе единиц (СИ) измеряется в джоулях (Дж).

• Масштаб величины: Кинетическая и потенциальная энергия одной изолированной молекулы ничтожно малы. Однако в любом окружающем нас предмете содержится колоссальное число частиц (порядка десятков и сотен секстиллионов молекул), поэтому суммарная внутренняя энергия даже небольшого тела весьма велика.

ПРЕВРАЩЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ВО ВНУТРЕННЮЮ

• Классический опыт со свинцовым шаром и плитой:
  • Если поднять массивный свинцовый шар над свинцовой плитой, он запасает механическую потенциальную энергию взаимодействия с Землёй ($E_p = mgh$).
  • При падении потенциальная энергия шара уменьшается, переходя в кинетическую энергию движения ($E_k = \frac{mv^2}{2}$).
  • В момент удара о плиту шар останавливается: его скорость и высота равны нулю, то есть механическая энергия полностью обращается в ноль.
  • Куда исчезла механическая энергия? При осмотре тел обнаруживается, что шар сплющился, а на плите образовалась вмятина (тела деформировались, изменились расстояния между молекулами свинца и возросла их потенциальная энергия). Кроме того, в месте удара шар и плита нагрелись (увеличилась средняя скорость теплового движения молекул, то есть выросла их кинетическая энергия).
  • Главный вывод: механическая энергия шара не пропала бесследно — она целиком превратилась во внутреннюю энергию свинцового шара и плиты.

• Примеры взаимного превращения энергии в технике и быту:
  • Торможение транспорта: при резком торможении поезда или автомобиля кинетическая энергия движения состава превращается за счёт трения во внутреннюю энергию тормозных колодок и барабанов, раскаляя их до сотен градусов.
  • Вход космических аппаратов в атмосферу: огромная механическая скорость спускаемого аппарата при трении о плотные слои воздуха превращается во внутреннюю энергию теплозащитного экрана, который разогревается до нескольких тысяч градусов.
  • Обработка металлов: при многократных сильных ударах молотом по металлической заготовке (холодная ковка) механическая работа деформации переходит во внутреннюю энергию металла, вызывая его ощутимый нагрев.

ОТ ЧЕГО ЗАВИСИТ И ОТ ЧЕГО НЕ ЗАВИСИТ ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ

• Независимость от механического состояния: Внутренняя энергия тела не зависит от его механического движения как целого и от его пространственного положения относительно других тел. Например, планёр, летящий на километровой высоте со скоростью 150 км/ч, и точно такой же планёр, неподвижно стоящий в ангаре на земле, при одинаковой температуре обладают совершенно одинаковой внутренней энергией (хотя механическая энергия летящего планёра в миллионы раз больше).

• От чего зависит внутренняя энергия:
  • От температуры тела: температура определяет среднюю кинетическую энергию теплового движения молекул. Чем выше температура, тем быстрее движутся молекулы и тем больше внутренняя энергия $U$.
  • От агрегатного состояния и объёма: они определяют расстояния между молекулами и потенциальную энергию их взаимодействия.
  • От массы (количества вещества): чем больше молекул в теле при одной и той же температуре, тем больше суммарная энергия всех частиц.

• Внутренняя энергия при фазовых переходах:
  • Чтобы перевести вещество из твёрдого состояния в жидкое (плавление) или из жидкого в пар (парообразование), необходимо совершить работу по преодолению сил молекулярного сцепления.
  • Поэтому при постоянной температуре (0 °C) внутренняя энергия 1 кг жидкой воды больше внутренней энергии 1 кг льда. Точно так же при 100 °C внутренняя энергия 1 кг водяного пара существенно превосходит внутреннюю энергию 1 кг кипящей воды, так как пару была передана энергия на разрыв межмолекулярных связей.