§ 5. Внутрішня енергія

Яку енергію називають кінетичною; потенціальною?

Наведіть приклади, коли тіло, що має кінетичну (потенціальну) енергію, здійснює роботу.

Як ви вже знаєте, існують два види механічної енергії: кінетична і потенціальна. Кінетичну енергією має будь-яке рухоме тіло; вона залежить від маси тіла і його швидкості. Потенціальна енергія визначається взаємним розташуванням взаємодіючих між собою тіл чи частин тіла. Потенціальна енергія тіла, піднятого над землею, залежить від його маси і відстані між тілом та землею.

Якщо тіло має енергію, то воно може здійснити роботу. При здійсненні роботи енергія тіла змінюється. Значення роботи дорівнює зміні енергії тіла.

Виконаємо дослід. Візьмемо товстостінну скляну посудину, дно якої покрите водою, закриємо її корком з уставленою в нього трубкою. Вода в посудині буде випаровуватися, і в повітрі, що знаходиться в ній, буде присутня водяна пара. З’єднаємо трубку з насосом і почнемо накачувати в посудину повітря.

Через деякий час корок з посудини вилетить, і в ній утворюється туман (рис. 12).

Туман — це водяна пара, що перетворилася на воду. Таке перетворення відбувається при зниженні температури. Отже, температура повітря в посудині знизилася. Виникає питання: чому це сталося?

Корок вилетів з посудини, бо повітря, що перебувало в ній, діяло на корок з певною силою і, виштовхуючи її, здійснило роботу. Ви знаєте, що роботу тіло може здійснити, якщо воно має енергію. Отже, повітря в посудині має енергію.

При виконанні повітрям роботи знизилась його температура, змінився його стан. Механічна енергія повітря при цьому не змінилася: в момент вильоту корка не змінилися ні його швидкість, ні його положення відносно Землі. Отже, робота була здійснена не за рахунок механічної, а за рахунок якоїсь іншої енергії. Ця енергія — внутрішня енергія повітря, що знаходиться в посудині.

Що ж таке внутрішня енергія тіла? Ви знаєте, що всі тіла складаються з частинок, які перебувають в безперервному хаотичному русі і взаємодіють одна з одною. Оскільки частинки перебувають у русі, вони мають кінетичну енергією, а оскільки вони взаємодіють одна з одною, то мають і потенціальну енергію.

Внутрішньою енергією тіла називають суму кінетичної енергії теплового руху частинок, з яких складається тіло, і потенціальної енергії їх взаємодії.

Внутрішню енергію позначають літерою U. Одиницею внутрішньої енергії є джоуль (1 Дж).

З’ясуємо, від чого залежить внутрішня енергія тіла.

Ви вже знаєте, що чим вища температура тіла, тим більша швидкість руху молекул. Чим більша швидкість руху молекул, тим більша їхня кінетична енергія, отже, внутрішня енергія залежить від температури тіла.

Щоб перевести речовину з рідкого стану в газоподібний (наприклад, щоб перетворити воду в пару при температурі кипіння), потрібно підвести до неї енергію. Отже, пара буде мати більшу внутрішню енергію, ніж вода з тією ж масою. Таким чином, внутрішня енергія тіла при незмінній масі залежить від його агрегатного стану.

Оскільки маса тіла дорівнює сумі мас його складових частинок, то внутрішня енергія залежить і від маси тіла.

Внутрішня енергія тіла не залежить від його механічного руху і від його взаємодії з іншими тілами. Так, внутрішня енергія м’яча, що лежить на столі чи на підлозі, однакова, так само як і м’яча, який нерухомий і м’яча, який котиться по підлозі (якщо, звичайно, знехтувати опором його руху).

Значення внутрішньої енергії в більшості випадків обчислити важко, оскільки кожне тіло складається з величезної кількості частинок. Проте нас частіше цікавить не саме значення внутрішньої енергії, а її зміна, і про неї можна судити, зокрема, за значенням виконаної роботи.

Запитання для самоперевірки

1.    Яку енергію називають внутрішньою?

2.    Від чого залежить внутрішня енергія тіла і від чого вона не залежить?

3.    Як довести, що тіла мають внутрішню енергію?

4. За рахунок чого здійснює роботу повітря, що знаходиться в посудині, в досліді, описаному в тексті параграфа? Які зміни відбуваються з повітрям?

Завдання 5

1.    Як буде змінюватися внутрішня енергія води в чайнику, який поставили на включену газову плиту?

2.    Опишіть будь-яке явище, яке доводить, що тіла мають внутрішню енергію.

З_е. Придумайте і проведіть дослід, що доводить, що тіла мають внутрішню енергію.

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Пістун