"Физика (базовый и углублённый уровни) (в 2 частях)", Генденштейн Л.Э., Булатова А.А., Корнильев И.Н., Кошкина А.В.; под редакцией Орлова В.А.
Внутренняя энергия — энергия хаотического движения и взаимодействия частиц вещества. Она не связана с перемещением тела как целого и может изменяться даже тогда, когда тело покоится. Энергию передают двумя способами: теплопередачей и совершением работы. Эти процессы объясняют нагревание при трении, охлаждение, сжатие газа и работу тепловых устройств.
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 и потенциальной энергии их взаимодействия. Она обозначается U. Это понятие позволяет описывать энергию вещества на микроскопическом уровне, не учитывая движение тела целиком.
Теплопередача — изменение внутренней энергии без совершения механической работы над телом или самим телом. Энергия переходит от более нагретого тела к менее нагретому. Так объясняются нагревание у батареи и охлаждение горячего напитка.
Количество теплоты — энергия, переданная телу при теплопередаче; обозначается Q и измеряется в джоулях. Знак Q показывает направление передачи энергии: полученное телом количество теплоты считают положительным. Не следует путать Q с температурой.
Работа при изменении внутренней энергии — передача энергии телу или от тела посредством действия сил; её обозначают A или Aвнеш. Работа внешних сил над телом увеличивает его энергию, если она положительна. Это обозначение нужно, чтобы правильно составить энергетический баланс.
Вещество состоит из частиц, которые непрерывно и хаотично движутся и взаимодействуют друг с другом. Поэтому внутренняя энергия зависит от микроскопического движения и расстояний между частицами. Перенос тела из одной точки в другую не меняет эти движения относительно самого тела, поэтому кинетическая энергия тела как целого в U не включается.
Температура связана со средней кинетической энергией хаотического движения частиц. При нагревании частицы в среднем движутся быстрее, и их кинетическая энергия возрастает; при охлаждении она уменьшается. Однако полная внутренняя энергия может зависеть также от потенциальной энергии взаимодействия и от изменения состояния вещества.
Нагревание и охлаждение меняют внутреннюю энергию через передачу энергии между телами. При трении силы препятствуют относительному движению поверхностей и превращают механическую энергию во внутреннюю. Деформация и сжатие изменяют расстояния между частицами, поэтому меняется потенциальная энергия их взаимодействия, а при сжатии газа обычно возрастает и энергия движения частиц.
Есть два способа изменить внутреннюю энергию: передать энергию теплопередачей или совершить работу. При теплопередаче механическая работа не является причиной перехода энергии, а при работе энергия передаётся действием сил. Если происходят оба процесса, их вклады складываются: ΔU = Q + Aвнеш; при использовании работы газа записывают ΔU = Q − Aгаза.
| Способ | Механизм передачи энергии | Признак процесса | Примеры | Связь с изменением внутренней энергии |
|---|---|---|---|---|
| Теплопередача | Энергия переходит между телами из-за разности температур | Механическая работа не совершается | Нагревание воды на плите | Q > 0 при получении энергии; U увеличивается |
| Совершение работы | Энергия передаётся действием сил | Есть перемещение, трение, сжатие или деформация | Сжатие газа, трение ладоней | Работа внешних сил может увеличить U |
| Одновременная теплопередача и работа | Энергия поступает и с теплотой, и через работу | Происходят оба процесса | Сжатие нагреваемого газа | ΔU = Q + Aвнеш |
| Нагревание | Обычно энергия передаётся телу | Температура повышается | Нагревание металла | Средняя кинетическая энергия частиц возрастает |
| Охлаждение | Тело отдаёт энергию окружающей среде | Температура понижается | Остывание чая | Внутренняя энергия обычно уменьшается |
Сначала определите, каким способом энергия поступает в систему или покидает её. Затем установите знак каждого вклада и выберите формулу с работой внешних сил или работой газа. Нагревание и охлаждение описывают результат процесса, а теплопередача и работа — механизм изменения энергии.
Условие: ладони быстро растирают друг о друга. Объяснить, почему они нагреваются.
Ответ: ладони нагреваются из-за совершения работы силы трения, а не из-за теплопередачи от другого тела.
Условие: газ получил Q = 500 Дж, внешние силы совершили над ним работу Aвнеш = 200 Дж. Найти изменение внутренней энергии.
Ответ: внутренняя энергия увеличилась на 700 Дж. Газ получил энергию сразу двумя способами.
Условие: газ получил Q = 800 Дж теплоты и совершил работу Aгаза = 300 Дж. Найти изменение внутренней энергии и объяснить результат.
Ответ: внутренняя энергия увеличилась на 500 Дж. Из 800 Дж полученной теплоты 300 Дж газ затратил на работу, а 500 Дж осталось для увеличения U.
Полная механическая энергия вместо внутренней. Внутренняя энергия не включает кинетическую и потенциальную энергию движения тела как целого. Проверьте, описываете ли вы частицы вещества или тело целиком.
Изменение только при нагревании. Трение, сжатие и деформация тоже передают энергию через работу. Если температура сначала не меняется, это ещё не доказывает отсутствия изменения U.
Путаница теплоты и температуры. Температура характеризует состояние тела, а Q показывает энергию, переданную при теплопередаче. Для проверки спросите себя: речь идёт о показании термометра или о процессе передачи энергии?
Неверный знак работы. Работа внешних сил и работа газа входят в формулы с разными знаками. Подпишите, кто совершает работу, и только потом используйте ΔU = Q + Aвнеш или ΔU = Q − Aгаза.
Для понимания внутренней энергии нужны положения молекулярно-кинетической теории, а также понятия температуры, энергии и работы. Тема подготавливает изучение первого закона термодинамики и уравнения теплового баланса. Эти идеи применяются при объяснении работы тепловых двигателей, холодильников, нагревательных приборов и теплопередачи в быту.
Зависит ли внутренняя энергия тела от его движения как целого?
Нет, движение тела как целого не входит во внутреннюю энергию. Она определяется движением и взаимодействием частиц относительно друг друга.
Можно ли изменить внутреннюю энергию без нагревания?
Да. Внутренняя энергия изменяется при совершении работы, например при трении, сжатии или деформации тела.
Чем количество теплоты отличается от температуры?
Температура характеризует состояние тела и среднюю кинетическую энергию его частиц. Количество теплоты — это энергия, переданная телу или отданная им при теплопередаче.
Почему при сжатии газа его внутренняя энергия увеличивается?
При сжатии внешние силы совершают работу над газом и передают ему энергию. Поэтому энергия движения и взаимодействия частиц обычно возрастает, а внутренняя энергия увеличивается.
Как определить знак работы в формуле изменения внутренней энергии?
Если используют работу внешних сил, то ΔU = Q + Aвнеш: работа над газом положительна. Если используют работу газа, то ΔU = Q − Aгаза: работа, совершённая газом, уменьшает его внутреннюю энергию.
1. Внутренняя энергия и способы ее изменения
