"Физика", Андрюшечкин С.М.
Внутренняя энергия есть у любого тела: она связана с движением и взаимодействием его частиц, а не с движением тела целиком. Она помогает объяснить, почему нагреваются ладони при трении, почему чай передаёт тепло ложке и почему сжатый воздух становится теплее. Изменить внутреннюю энергию можно двумя способами: передать энергию при теплопередаче или совершить работу. Понимание этих способов помогает разбирать тепловые явления и прослеживать превращения энергии.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Внутренняя энергия — сумма кинетической энергии хаотического движения частиц тела и потенциальной энергии их взаимодействия. Она отличается от механической энергии тела как целого: тело может стоять на месте, но его частицы всё равно движутся и взаимодействуют. Это понятие позволяет описывать энергию, связанную с состоянием самого вещества.
Тепловое движение — непрерывное хаотическое движение частиц вещества. Оно происходит в твёрдых телах, жидкостях и газах, хотя характер движения частиц в них различается. Чем выше температура, тем интенсивнее в среднем движутся частицы.
Теплопередача — изменение внутренней энергии без совершения работы над телом или самим телом. Энергия при этом переходит от более нагретого тела к менее нагретому, пока температуры не сблизятся. Это определение помогает отличить передачу энергии от передачи вещества.
Совершение работы — способ изменения внутренней энергии, при котором энергия передаётся телу или от него в результате действия сил. Например, трение может нагреть поверхности, а сжатие газа — увеличить его внутреннюю энергию. Здесь причина изменения — действие сил, а не непосредственный контакт с более тёплым телом.
Частицы вещества не лежат неподвижно: они движутся, сталкиваются и притягиваются или отталкиваются. Поэтому у них есть кинетическая энергия движения и потенциальная энергия взаимодействия. Движение тела целиком — например, полёт мяча — не определяет внутреннюю энергию: даже покоящийся мяч состоит из движущихся частиц. Так объясняется, почему внутренняя энергия есть у любого тела.
При повышении температуры частицы обычно движутся интенсивнее, поэтому растёт их кинетическая энергия. Но внутренняя энергия зависит не только от температуры: если меняются расстояния между частицами, меняется и потенциальная энергия их взаимодействия. Например, при переходе вещества из твёрдого состояния в жидкое расположение частиц становится другим. Поэтому изменение агрегатного состояния может сопровождаться изменением внутренней энергии даже без обычного повышения температуры.
При теплопередаче тела обмениваются энергией из-за разности температур: частицы более горячего тела передают энергию частицам менее горячего. Энергия переходит, а вещество целиком не перемещается от одного тела к другому. Передача продолжается, пока сохраняется разность температур; её направление — от более нагретого тела к менее нагретому. Так внутренняя энергия одного тела уменьшается, а другого увеличивается.
Изменить внутреннюю энергию можно и работой сил. При трении поверхность испытывает действие сил, и часть механической энергии переходит во внутреннюю энергию, поэтому тела нагреваются. При деформации тоже совершается работа, которая может изменить состояние частиц. Если быстро сжать газ поршнем, внешняя сила совершит работу над газом, и его внутренняя энергия увеличится; это объясняет нагревание газа при сжатии.
Похожее повышение температуры можно получить разными путями, потому что внутренняя энергия меняется и при теплопередаче, и при работе. Если нагреть предмет пламенем, энергия поступает к нему от горячего пламени. Если растереть предмет, его нагревает работа сил трения. Наблюдаемый результат — изменение состояния частиц — может быть сходным, хотя способ передачи энергии различается.
| Способ | За счёт чего изменяется энергия | Пример | Что происходит с энергией |
|---|---|---|---|
| Теплопередача | Из-за разности температур, без совершения работы | Ложка в горячем чае | Переходит от более нагретого тела к менее нагретому |
| Совершение работы | Из-за действия сил | Растирание ладоней или сжатие газа | Передаётся телу либо от него; внутренняя энергия может измениться |
| Нагревание тела | Энергия поступает при теплопередаче или совершении работы | Нагревание пламенем или трением | Внутренняя энергия обычно увеличивается |
| Охлаждение тела | Энергия уходит при теплопередаче или изменении состояния | Горячий чай остывает в комнате | Внутренняя энергия тела обычно уменьшается |
Сначала определите, что именно происходит: тела обмениваются энергией из-за разности температур или силы совершают работу. Затем проследите направление передачи энергии и решите, у какого тела внутренняя энергия возрастает, а у какого уменьшается. Нагревание и охлаждение описывают результат, а теплопередача и работа — способы изменения.
Выясняем, что непосредственно происходит: ладони движутся относительно друг друга и соприкасаются. Между их поверхностями действуют силы трения.
Проверяем, есть ли передача энергии от более горячего тела к более холодному. В условии нет источника тепла и нет указания на разность температур, которая объяснила бы нагрев.
Силы трения совершают работу, а внутренняя энергия соприкасающихся поверхностей увеличивается. Поэтому ладони нагреваются именно из-за совершения работы.
Ответ: внутренняя энергия ладоней изменилась при совершении работы силами трения, а не вследствие теплопередачи.
Сравниваем температуры: чай горячее ложки, поэтому есть разность температур. Она создаёт условия для теплопередачи.
Часть ложки, погружённая в чай, получает энергию от чая и нагревается. В металлической ложке энергия передаётся от более нагретой части к менее нагретой, поэтому постепенно нагревается и ручка.
Вещество ложки не перетекает из чашки к ручке: распространяется энергия. Внутренняя энергия ложки увеличивается, а чай отдаёт часть своей энергии.
Ответ: ручка нагревается вследствие теплопередачи внутри ложки; энергия переходит от более нагретого чая к менее нагретой ложке.
При движении поршня он действует на воздух и сжимает его. Значит, внешняя сила совершает работу над газом.
Энергия передаётся газу при совершении работы, его внутренняя энергия увеличивается, и воздух становится теплее. Быстрое сжатие особенно наглядно показывает этот способ изменения энергии.
Если воздух нагревает горячая стенка, энергия поступает из-за разности температур. Это теплопередача, а не работа поршня, хотя результат — повышение температуры воздуха — может быть похожим.
Ответ: при сжатии внутренняя энергия воздуха увеличивается за счёт работы внешней силы; от горячей стенки она увеличилась бы за счёт теплопередачи.
Считать внутреннюю энергию энергией движения тела целиком. Так думают, потому что смешивают скорость всего тела со скоростью его частиц. Проверьте себя: если тело покоится, но его частицы продолжают двигаться, внутренняя энергия у него всё равно есть.
Учитывать только движение частиц. Это упускает потенциальную энергию их взаимодействия, которая связана с расстояниями между частицами. Для проверки спросите себя, может ли измениться состояние вещества и взаимное расположение его частиц, даже если температура не меняется.
Считать, что внутренняя энергия меняется только при нагревании. Нагревание часто заметно, поэтому другие причины легко не заметить. Проверьте, не совершают ли силы работу: трение и сжатие газа могут изменить энергию и без передачи тепла.
Путать теплопередачу с переносом вещества или менять направление передачи. Это происходит, когда смешивают перемещение предметов и движение энергии. Уточните, есть ли разность температур: энергия самопроизвольно переходит от более нагретого тела к менее нагретому, но само вещество целиком при этом не обязано перемещаться.
Чтобы понять внутреннюю энергию, нужно знать, что вещества состоят из частиц, которые непрерывно движутся и взаимодействуют. Также важно понимать температуру: её изменение связано с изменением интенсивности теплового движения частиц. Эти знания пригодятся при изучении тепловых явлений и видов теплопередачи. Они помогают прослеживать передачу и превращение энергии, в том числе при изучении закона сохранения энергии.
Внутренняя энергия складывается из кинетической энергии движения частиц и потенциальной энергии их взаимодействия.
Внутренней энергией обладает и неподвижное тело.
Внутреннюю энергию можно изменить теплопередачей или совершением работы.
При теплопередаче энергия переходит от более нагретого тела к менее нагретому.
Трение может увеличивать внутреннюю энергию соприкасающихся тел.
Изменение температуры часто сопровождается изменением внутренней энергии, но внутренняя энергия зависит не только от температуры.
Есть ли у неподвижного тела внутренняя энергия?
Да. Даже если тело покоится как целое, его частицы продолжают хаотически двигаться и взаимодействовать. Поэтому у тела есть внутренняя энергия.
Из чего складывается внутренняя энергия вещества?
Она состоит из кинетической энергии хаотического движения частиц и потенциальной энергии их взаимодействия. Первая связана со скоростью частиц, вторая — с их взаимным расположением.
Можно ли изменить внутреннюю энергию, не нагревая тело?
Да, внутреннюю энергию можно изменить совершением работы, например растирая или деформируя тело. При этом оно может нагреться, хотя тепло ему непосредственно не передавали.
Чем теплопередача отличается от совершения работы?
При теплопередаче энергия переходит между телами из-за разности температур, без совершения работы. При совершении работы энергия передаётся в результате действия сил, например при трении или сжатии газа.
Почему при трении тела нагреваются?
Силы трения совершают работу, и энергия движения тел переходит во внутреннюю энергию соприкасающихся поверхностей. Частицы начинают двигаться интенсивнее, поэтому температура повышается.
§ 2. Внутренняя энергия и способы её изменения
