"Физика", Б.А.Кронгарт, Ш.Б. Насохова
Внутренняя энергия — это энергия движения и взаимодействия частиц, из которых состоит тело. Она не связана с перемещением тела как целого: движущийся вагон имеет механическую энергию, а его частицы обладают внутренней энергией. Внутреннюю энергию можно изменить двумя способами — совершением работы и теплопередачей. Температура влияет на её кинетическую составляющую, но при плавлении, испарении или деформации меняется и потенциальная.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Внутренняя энергия — энергия движения и взаимодействия частиц, из которых состоит тело. В неё не входит энергия движения тела как целого: например, летящий мяч может двигаться, но его внутренняя энергия связана с частицами мяча. Это понятие помогает объяснить нагревание, охлаждение, плавление и другие тепловые явления.
Тепловое движение — непрерывное хаотическое движение частиц вещества. Движущиеся частицы обладают кинетической энергией, причём чем быстрее в среднем они движутся, тем выше температура тела. Поэтому тепловое движение связывает наблюдаемое нагревание с процессами на уровне частиц.
Взаимодействие частиц — притяжение и отталкивание частиц вещества. Из-за такого взаимодействия частицы обладают потенциальной энергией, которая зависит от их взаимного расположения. Это объясняет, почему внутренняя энергия меняется при деформации тела или изменении его агрегатного состояния.
Способы изменения внутренней энергии — совершение работы и теплопередача. Работа изменяет энергию при непосредственном воздействии тел, например при трении или сжатии, а теплопередача переносит энергию из-за разности температур. Оба способа могут увеличить или уменьшить внутреннюю энергию тела.
Внутренняя энергия складывается из кинетической энергии хаотического движения частиц и потенциальной энергии их взаимодействия. Частицы не движутся строго в одном направлении, поэтому их движение не следует путать с общим перемещением тела. Даже неподвижный на столе предмет имеет внутреннюю энергию, потому что его частицы продолжают двигаться и взаимодействовать.
Температура характеризует среднюю кинетическую энергию теплового движения частиц. При нагревании частицы в среднем движутся быстрее, поэтому кинетическая часть внутренней энергии возрастает; при охлаждении происходит обратное. Связь не означает, что температура показывает всю внутреннюю энергию тела: на неё влияют также вещество и потенциальная энергия взаимодействия частиц.
При изменении агрегатного состояния расстояния и порядок расположения частиц меняются. Например, при плавлении энергия идёт не только на движение частиц, но и на ослабление их связей, поэтому возрастает потенциальная составляющая. Во время такого превращения температура может оставаться постоянной, хотя внутренняя энергия увеличивается.
Внутренняя энергия изменяется при совершении работы, потому что внешнее воздействие меняет движение или взаимное расположение частиц. При трении части механической энергии движения превращаются во внутреннюю энергию соприкасающихся тел, и они нагреваются. При сжатии газа поршень действует на газ, передавая ему энергию, поэтому газ обычно нагревается.
Теплопередача — это передача энергии от более нагретого тела к менее нагретому без совершения работы. Горячая вода нагревает металлическую ложку, а лёд охлаждает напиток, отдавая или получая энергию в зависимости от направления процесса. Если тело получает энергию, его внутренняя энергия увеличивается; если отдаёт — уменьшается.
В таблице показано, чем отличаются два способа изменения внутренней энергии. Сначала определите, происходит ли непосредственное механическое воздействие или перенос энергии из-за разности температур. Затем установите, получает тело энергию или отдаёт её.
| Способ | Как передаётся энергия | Пример | Что происходит с внутренней энергией |
|---|---|---|---|
| Совершение работы | При взаимодействии тел: трении, сжатии, растяжении | Ладони трут друг о друга | Может увеличиваться или уменьшаться |
| Теплопередача | От более нагретого тела к менее нагретому без совершения работы | Горячая вода нагревает ложку | Получающее энергию тело нагревается, отдающее — охлаждается |
Условие. Ладони потерли друг о друга, и они нагрелись. Нужно определить способ изменения их внутренней энергии.
Ответ. Внутренняя энергия ладоней изменилась вследствие совершения работы при трении. Ладони нагрелись, потому что получили часть затраченной механической энергии.
Условие. Металлическую ложку опустили в горячую воду. Нужно определить направление передачи энергии и способ изменения внутренней энергии ложки.
Ответ. Энергия передаётся от горячей воды к ложке. Внутренняя энергия ложки изменяется теплопередачей и возрастает, поэтому ложка нагревается.
Условие. Газ в цилиндре сжали поршнем, после чего его температура повысилась. Нужно объяснить изменение внутренней энергии газа.
Ответ. Внутренняя энергия газа увеличилась из-за совершения работы над газом. Повышение температуры показывает рост кинетической составляющей этой энергии.
Ошибка 1. Внутренней энергией считают энергию движения тела как целого. Так происходит из-за смешения механической и внутренней энергии; проверить себя можно вопросом: речь идёт о движении всего тела или его частиц?
Ошибка 2. Внутреннюю энергию связывают только с температурой. Температура описывает среднюю кинетическую энергию частиц, но при деформации и смене состояния меняется также энергия взаимодействия; нужно учитывать оба слагаемых.
Ошибка 3. Теплопередачу считают обязательным нагреванием. Тело может отдавать энергию и охлаждаться, поэтому сначала определите направление перехода энергии и только потом делайте вывод о температуре.
Ошибка 4. Теплопередачу путают с совершением работы. Если энергия передаётся из-за разности температур без механического воздействия, это теплопередача; при трении или сжатии изменение связано с работой.
Для понимания темы нужно знать, что вещество состоит из частиц, которые непрерывно движутся и взаимодействуют. Эти представления объясняют тепловые явления на уровне, невидимом глазом.
Также пригодятся различия между кинетической и потенциальной энергией. Связь температуры с тепловым движением помогает понять, почему нагревание обычно увеличивает кинетическую часть внутренней энергии.
Знания о внутренней энергии понадобятся при изучении теплопередачи, плавления, кипения и других изменений агрегатного состояния. Они помогают объяснять бытовые явления: нагрев посуды, охлаждение напитков и работу отопительных приборов.
Чем внутренняя энергия отличается от механической энергии тела?
Механическая энергия связана с движением тела как целого и его положением относительно других тел. Внутренняя энергия относится к движению и взаимодействию частиц внутри самого тела.
Из чего складывается внутренняя энергия?
Она складывается из кинетической энергии хаотического движения частиц и потенциальной энергии их взаимодействия. Первая часть связана с температурой, а вторая может изменяться при деформации и смене агрегатного состояния.
Можно ли изменить внутреннюю энергию, не нагревая тело?
Да. Например, при сжатии газа его внутренняя энергия увеличивается благодаря совершению работы, даже если нагревание не было причиной процесса. Изменение температуры может произойти уже вследствие роста внутренней энергии.
Чем теплопередача отличается от совершения работы?
При теплопередаче энергия переходит от более нагретого тела к менее нагретому без совершения механической работы. При совершении работы изменение энергии происходит из-за действия одного тела на другое, например при трении или сжатии.
Всегда ли при изменении внутренней энергии меняется температура?
Нет. При плавлении или кипении энергия расходуется на изменение взаимодействия частиц, поэтому температура может оставаться постоянной. Температура также может измениться, если меняется кинетическая энергия частиц.
§ 3. Внутренняя энергия. Способы изменения внутренней энергии
