§ 3. Внутрішня енергія

У новинах, коли йдеться про космічні дослідження, ви могли чути фразу на зразок: «Супутник увійшов в атмосферу Землі й припинив своє існування». Але ж зрозуміло, що супутник мав величезну механічну енергію: кінетичну, оскільки він рухався, та потенціальну, оскільки був високо над поверхнею Землі. Куди ж зникла колосальна енергія супутника? Фізики пояснюють, що ця енергія передалася частинкам (молекулам, атомам, йонам) повітря та частинкам супутника, тобто перейшла в енергію всередині речовин. Цю енергію називають внутрішньою. про те, що таке внутрішня енергія, і йтиметься далі.

Знайомимося з поняттям внутрішньої енергії

Ми вже звертали увагу на те, що завдяки тепловому руху кожна частинка речовини завжди має кінетичну енергію (рис. 3.1).

Зрозуміло, що значення кінетичної енергії окремої частинки невелике, оскільки маса частинки є дуже малою. Водночас кількість частинок в одиниці об’єму речовини величезна, і тому їхня сумарна кінетична енергія є досить великою (рис. 3.2).

Крім кінетичної енергії, частинки речовини мають і потенціальну енергію, тому що (згадайте молекулярно-кінетичну теорію) взаємодіють одна з одною — притягуються та відштовхуються.

Суму кінетичної енергії теплового руху частинок, із яких складається тіло, і потенціальної енергії їхньої взаємодії називають внутрішньою енергією тіла.

Одиницею внутрішньої енергії в СІ єджоуль (Дж).

Як на вашу думку, чи існують тіла, внутрішня енергія яких дорівнює нулю?

З'ясовуємо, коли змінюється внутрішня енергія тіла

Мірою середньої кінетичної енергії руху частинок, із яких складається тіло, є температура. Тому зміна температури означає й зміну сумарної кінетичної енергії всіх частинок, а отже, зміну внутрішньої енергії тіла.

Крім того, зі зміною температури тіло розширюється або стискається. При цьому

змінюється відстань між частинками речовини і, як наслідок, змінюється потенціальна енергія їхньої взаємодії. Це теж, у свою чергу, зумовлює зміну внутрішньої енергії тіла.

Рис. 3.3. У різних агрегатних станах взаємне розташування молекул речовини є різним, тому відрізняється і потенціальна енергія взаємодії молекул

Рис. 3.4. За однакової температури внутрішня енергія льоду є меншою від внутрішньої енергії такої самої маси води: під час переходу речовини з твердого стану в рідкий збільшується потенціальна енергія взаємодії молекул води

Отже, внутрішня енергія тіла змінюється зі зміною температури тіла.

Внутрішня енергія змінюється також зі зміною агрегатного стану речовини: в процесі зміни агрегатного стану речовини змінюється взаємне розташування її частинок, тобто змінюється потенціальна енергія їхньої взаємодії (рис. 3.3). Наприклад, під час плавлення речовини її внутрішня енергія збільшується, а під час кристалізації — зменшується (рис. 3.4). Докладніше про це ви дізнаєтеся наприкінці розділу 1 «теплові явища».

Розрізняємо внутрішню і механічну енергії

Під час вивчення механіки йшлося про те, що суму кінетичної та потенціальної енергій системи тіл називають повною механічною енергією цієї системи. Дехто з вас, можливо, скаже: «то виходить, що внутрішня енергія й механічна енергія — одне й те саме!» Проте це не так.

Дещо схожі за формальними ознаками, ці поняття значно відрізняються своєю сутністю — їх навіть вивчають у різних розділах фізики. Згодом ви дізнаєтеся про це детальніше, а зараз зазначимо тільки деякі відмінності.

Коли розглядають механічну енергію, то йдеться про одне або декілька тіл. А от коли розглядають внутрішню енергію, то йдеться про рух та взаємодію дуже великої кількості частинок (10²³ або більше). Зрозуміло, що у випадку з внутрішньою енергією не можна відстежити індивідуальні характеристики кожної частинки, тому фізики використовують тільки середні характеристики (про середню кінетичну енергію ви вже знаєте).

Механічна енергія залежить від руху й розташування фізичного тіла відносно інших тіл або частин тіла одна відносно одної. Натомість внутрішня енергія визначається характером

Рис. 3.5. Внутрішня енергія наплічника, що лежить на підлозі (а), стоїть на стільці (б) або рухається разом із хлопчиком (в), є однаковою, а механічна енергія — різною

руху та взаємодії тільки частинок тіла. Так, внутрішня енергія наплічника, що стоїть на стільці, лежить на підлозі або «подорожує» разом із вами шкільним коридором, є однаковою. А от його механічна енергія в цих ситуаціях буде різною (рис. 3.5).

Підбиваємо підсумки

Будь-яке фізичне тіло має внутрішню енергію. Внутрішня енергія тіла — це сума кінетичних енергій усіх частинок, з яких складається тіло, й потенціальних енергій їхньої взаємодії.

Внутрішня енергія тіла змінюється зі зміною його температури та в процесі зміни агрегатного стану речовини, з якої це тіло складається.

Контрольні запитання    —

1. Чому частинки речовини мають потенціальну енергію? завжди мають кінетичну енергію? 2. Що називають внутрішньою енергією тіла? 3. Від чого залежить внутрішня енергія тіла? 4. Доки лід плавиться, його температура не змінюється. Чи змінюється при цьому внутрішня енергія льоду? 5. Чи може тіло мати внутрішню енергію, але не мати при цьому механічної енергії?

Вправа № 3

1.    Якщо підняти камінь з поверхні землі, то потенціальна енергія каменя, а отже, кожної його частинки збільшується. Чи означає це, що внутрішня енергія каменя також збільшується? Обґрунтуйте свою відповідь.

2.    М’яч кинуто вгору. Як під час руху м’яча змінюється його внутрішня енергія? механічна енергія? Опором повітря знехтуйте.

3.    Як змінюються внутрішня й механічна енергії пляшки з водою у вашому наплічнику, коли ви в морозну погоду заходите з вулиці в теплий будинок? піднімаєтесь на другий поверх будівлі? прискорюєте рух шкільним коридором?

4.    Металеву кульку підвісили на мотузці й нагріли. Як змінилася внутрішня енергія кульки? механічна енергія кульки?

5.    Установіть відповідність між механічною енергією та формулою для її визначення.

1    Кінетична енергія

2    Потенціальна енергія піднятого тіла

3    Потенціальна енергія деформованої пружини

4    Повна механічна енергія

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Бар'яхтар