§ 5. Внутренняя энергия

сумма кинетической энергии теплового хаотического движения всех молекул (атомов), из которых состоит тело, и потенциальной энергии их взаимодействия друг с другом.

• Обозначается буквой U, измеряется в Международной системе единиц (СИ) в джоулях (Дж).

• Кинетическая энергия молекул зависит исключительно от температуры тела (чем выше температура, тем быстрее движутся молекулы и тем больше U).
• Потенциальная энергия взаимодействия молекул зависит от расстояния между ними, то есть от объёма тела и его агрегатного состояния (в твердом, жидком или газообразном виде).

• Внутренняя энергия тела не зависит ни от его механического движения как целого (скорости полета или перемещения), ни от его положения относительно других тел (высоты над поверхностью Земли).

превращение кинетической и потенциальной энергии макроскопического тела при деформациях и трении в тепловое движение и изменение взаимного расположения его микрочастиц.

Внутренней энергией тела называют сумму кинетической энергии теплового хаотического движения всех микрочастиц (молекул, атомов), составляющих тело, и потенциальной энергии их взаимного взаимодействия между собой.

Превращения энергии происходят следующим образом:

• При подъёме шара на некоторую высоту за счёт совершения работы внешних сил увеличивается потенциальная энергия взаимодействия шара с Землёй (Eп = mgh).
• В начале падения потенциальная энергия начинает постепенно превращаться в кинетическую энергию движения шара (Eк = mv²/2). При приближении к плите кинетическая энергия достигает максимума, а потенциальная становится равной нулю.
• Полная механическая энергия при свободном падении сохраняется: E = Eп + Eк = const.
• При неупругом ударе о массивную свинцовую плиту шар останавливается: его кинетическая и потенциальная энергии становятся равными нулю, а механическая энергия переходит во внутреннюю энергию шара и плиты (происходит их нагревание и деформация).

Об изменении состояния шара и плиты свидетельствуют два наблюдаемых факта:

• Механическая деформация: шар сплющился, а на свинцовой плите осталась отчетливая вмятина от удара (изменилось взаимное расположение молекул свинца, то есть изменилась их потенциальная энергия взаимодействия).
• Нагревание тел: чувствительный термометр или тепловизор фиксирует повышение температуры шара и плиты в месте удара (увеличилась средняя скорость хаотического движения молекул свинца, то есть увеличилась их кинетическая энергия).

Примерами перехода служат:

• Нагревание тормозных колодок и шин автомобиля при резком торможении (кинетическая энергия движения машины превращается во внутреннюю энергию трущихся поверхностей).
• Нагревание металлической проволоки или гвоздя при многократном быстром сгибании и разгибании (работа пластической деформации переходит во внутреннюю энергию).
• Нагревание куска металла и бойка при частых ударах молотком (холодная ковка).
• Нагревание рук при быстром трении ладоней друг о друга на холоде.
• Нагревание сверла и обрабатываемой детали при сверлении отверстия.

Внутренняя энергия тела зависит от:

• Температуры тела: при повышении температуры возрастает скорость движения молекул и их кинетическая энергия, следовательно, внутренняя энергия увеличивается.
• Агрегатного состояния и объёма тела: они определяют расстояния между молекулами, от которых зависит потенциальная энергия их взаимодействия.
• Массы тела (количества вещества): чем больше молекул содержится в теле, тем больше суммарная энергия всех частиц.

(Примечание: внутренняя энергия не зависит от положения тела в пространстве и его скорости как единого целого).

При переходе жидкости в пар (парообразовании) молекулам необходимо преодолеть мощные силы взаимного межмолекулярного притяжения, удерживающие их в объёме жидкости. Для этого к жидкости подводится энергия (теплота), которая расходуется на совершение работы против сил межмолекулярного притяжения. В результате расстояния между молекулами резко увеличиваются, а потенциальная энергия их взаимодействия возрастает. Поскольку температура не меняется, кинетическая энергия молекул остаётся прежней, но за счёт возросшей потенциальной энергии полная внутренняя энергия пара оказывается существенно больше внутренней энергии исходной жидкости той же массы.