§ 3. Внутренняя энергия

В выпусках новостей, когда речь идет о космических исследованиях, вы наверняка слышали фразу типа: «Спутник вошел в атмосферу Земли и прекратил свое существование». но ведь понятно, что спутник имел огромную механическую энергию: кинетическую, поскольку он двигался, и потенциальную, поскольку находился высоко над поверхностью Земли. Куда же исчезла колоссальная энергия спутника? Физики объясняют, что она передалась частицам (молекулам, атомам, ионам) воздуха и частицам спутника, то есть перешла в энергию внутри веществ. Эту энергию называют внутренней. о том, что такое внутренняя энергия, и пойдет речь ниже.

Знакомимся с понятием внутренней энергии

Мы уже обращали внимание на то, что благодаря тепловому движению каждая частица вещества всегда обладает кинетической энергией (рис. 3.1).

Значение кинетической энергии отдельной частицы небольшое, так как очень мала масса частицы. В то же время количество частиц в единице объема вещества огромно, и поэтому их суммарная кинетическая энергия достаточно велика (рис. 3.2).

Кроме кинетической энергии частицы вещества обладают потенциальной энергией, поскольку (вспомните молекулярно-кинетическую теорию) взаимодействуют друг с другом — притягиваются и отталкиваются.

Сумму кинетических энергий теплового движения частиц, из которых состоит тело, и потенциальных энергий их взаимодействия называют внутренней энергией тела.

Единица внутренней энергии в СИ — джоуль (Дж).

Вспомните другие физические величины, единица которых в СИ — джоуль.

Выясняем, когда изменяется внутренняя энергия тела

Мерой средней кинетической энергии движения частиц, из которых состоит тело, является температура. С изменением температуры изменяется суммарная кинетическая энергия всех частиц, а следовательно, изменяется внутренняя энергия тела.

Кроме того, с изменением температуры тело расширяется или сжимается. При этом изменяется расстояние между частицами вещества и, как следствие, изменяется потенциальная энергия их взаимодействия. Это тоже, в свою очередь, обусловливает изменение внутренней энергии тела.

Итак, внутренняя энергия тела изменяется с изменением его температуры: при увеличении температуры внутренняя энергия тела увеличивается, а при уменьшении температуры внутренняя энергия тела уменьшается.

Внутренняя энергия изменяется и с изменением агрегатного состояния вещества. В этом случае изменяется взаимное расположение частиц вещества, а значит, изменяется потенциальная энергия их взаимодействия (рис. 3.3). Так, при плавлении вещества его внутренняя энергия увеличивается, а при кристаллизации — уменьшается (рис. 3.4). Подробнее об этом вы узнаете в конце раздела I «Тепловые явления».

Различаем внутреннюю и механическую энергии

При изучении механики говорилось о том, что сумму кинетической и потенциальной энергий системы тел называют полной механической энергией этой системы. Кто-то, возможно, скажет: «Получается, что внутренняя энергия и механическая энергия — одно и то же!» Однако это не так.

В чем-то похожие по формальным признакам, эти понятия отличаются по своей сути — их даже изучают в разных разделах физики. Со временем вы узнаете об этом подробнее, а сейчас отметим только некоторые отличия.

Когда рассматривают механическую энергию, речь идет об одном или нескольких телах. А вот когда рассматривают внутреннюю энергию, то речь идет о движении и взаимодействии очень большого количества частиц (10²³ или более). Понятно, что в случае с внутренней энергией нельзя отследить индивидуальные характеристики каждой частицы, поэтому физики используют только средние характеристики (о средней кинетической энергии вы уже знаете).

Механическая энергия зависит от движения и расположения физического тела относительно других тел или частей тела относительно друг друга. А вот внутренняя энергия определяется характером движения и взаимодействия только частиц тела. Так, механическая энергия рюкзака, который лежит на полу, стоит на стуле или «путешествует» вместе с вами по школьному коридору, разная, а вот его внутренняя энергия при неизменной температуре будет одинаковой (рис. 3.5).

Подводим итоги

Любое физическое тело имеет внутреннюю энергию. Внутренняя энергия тела — это сумма кинетических энергий всех частиц, из которых состоит тело, и потенциальных энергий их взаимодействия.

Внутренняя энергия тела изменяется при изменении агрегатного состояния вещества, из которого состоит тело, а также при изменении температуры тела.

Контрольные вопросы    —

1. Почему частицы вещества имеют потенциальную энергию? всегда имеют кинетическую энергию? 2. Что называют внутренней энергией тела?

3. От чего зависит внутренняя энергия тела? 4. Пока лед плавится, его температура не изменяется. Изменяется ли при этом внутренняя энергия льда? 5. Может ли тело иметь внутреннюю энергию, но не иметь при этом механической энергии?

Упражнение № 3

1.    Если поднять камень, то потенциальная энергия камня и, следовательно, каждой его частицы увеличится. Означает ли это, что внутренняя энергия камня тоже увеличится? Поясните свой ответ.

2.    Мяч брошен вверх. Как во время движения мяча изменяется его внутренняя энергия? механическая энергия? Сопротивлением воздуха пренебречь.

3.    Как изменяются внутренняя и механическая энергии бутылки с водой в вашем рюкзаке, когда вы в морозную погоду заходите с улицы в теплый дом? поднимаетесь на второй этаж здания? ускоряете свое движение по школьному коридору?

4.    Металлический шарик подвесили на веревке и нагрели. Как изменилась внутренняя энергия шарика? механическая энергия шарика?

5.    Установите соответствие между механической энергией и формулой для ее определения.