"Физика (базовый уровень)", Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. / Под ред. Парфентьевой Н.А.
Внутренняя энергия — энергия частиц, из которых состоит тело: их хаотического движения и взаимодействия. Она не связана с перемещением тела целиком, поэтому движущийся поезд может иметь ту же внутреннюю энергию, что и неподвижный поезд при тех же условиях. Внутренняя энергия меняется, когда тело получает или отдаёт энергию при теплопередаче либо когда над телом совершают работу или оно само её совершает. Понимание этих изменений помогает объяснить нагрев, охлаждение и поведение газа.
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. Её обозначают U, а изменение записывают как ΔU. Это понятие позволяет описывать энергию, связанную с состоянием вещества, отдельно от движения тела целиком.
Тепловое движение — непрерывное хаотическое движение частиц вещества. Кинетическая энергия этого движения входит во внутреннюю энергию, потому что частицы перемещаются относительно друг друга даже в неподвижном теле. Это определение помогает связать микроскопическое движение частиц с наблюдаемыми тепловыми явлениями.
Потенциальная энергия взаимодействия частиц — часть внутренней энергии, зависящая от взаимного расположения частиц и сил, с которыми они взаимодействуют. Она особенно важна, когда меняются расстояния между частицами или агрегатное состояние вещества. Благодаря этому понятию можно объяснить изменение внутренней энергии при постоянной температуре.
Изменение внутренней энергии — разность между конечным и начальным значениями: ΔU = U₂ − U₁. Оно может происходить при теплопередаче или совершении работы. Запись через разность помогает определить не только величину изменения, но и направление: энергия тела увеличилась или уменьшилась.
Тело как целое может двигаться или покоиться, но его частицы при этом продолжают двигаться и взаимодействовать. Поэтому полная механическая энергия перемещения тела не относится к внутренней энергии: она характеризует движение всего тела относительно выбранной системы отсчёта. Внутренняя энергия описывает состояние вещества на уровне частиц и не меняется только от того, что тело стало двигаться быстрее.
Температура связана со средней кинетической энергией хаотического движения частиц: чем быстрее они в среднем движутся, тем выше температура. При нагревании частицы обычно получают энергию и движутся интенсивнее, поэтому растут кинетическая составляющая внутренней энергии и сама внутренняя энергия. Связь не означает, что температура полностью задаёт внутреннюю энергию: значение имеет также взаимодействие частиц и состояние вещества.
При плавлении или кипении температура чистого вещества может оставаться постоянной, хотя ему продолжают передавать энергию. Эта энергия идёт на изменение взаимного расположения частиц и ослабление или перестройку их взаимодействия, а не на увеличение средней скорости движения. Поэтому меняется потенциальная составляющая внутренней энергии, несмотря на неизменную температуру.
Работа изменяет внутреннюю энергию, когда силы вызывают перемещение тела или его частей. При трении механическое движение переходит в неупорядоченное движение частиц, поэтому соприкасающиеся тела нагреваются; при сжатии газа внешние силы совершают работу над ним. При расширении газ, наоборот, может совершать работу над окружающими телами, расходуя на неё часть своей внутренней энергии.
Теплопередача — передача энергии от одного тела к другому без совершения механической работы между ними. Например, горячая вода нагревает погружённую ложку, потому что энергия переходит от более нагретой воды к более холодной ложке. В отличие от изменения энергии работой, здесь энергия передаётся из-за разности температур, а не вследствие механического воздействия.
Чтобы пользоваться таблицей, сначала определите, передаётся ли энергия из-за разности температур или изменяется при механической работе. Затем установите направление передачи или выясните, кто совершает работу — тело или внешние силы. В таблице показаны два способа изменения энергии и два возможных направления теплопередачи.
| Способ | Что происходит | Пример | Направление изменения внутренней энергии |
|---|---|---|---|
| Теплопередача | Энергия переходит между телами без совершения механической работы. | Горячая вода нагревает ложку. | У получающего энергию тела обычно увеличивается. |
| Совершение работы | Механическое воздействие изменяет энергию движения и взаимодействия частиц. | Газ сжимают поршнем. | При работе над телом обычно увеличивается; при работе тела обычно уменьшается. |
| Передача энергии телу | Тело получает энергию при теплопередаче от более нагретого тела. | Холодный предмет нагревается в горячей воде. | Внутренняя энергия получающего тела увеличивается. |
| Передача энергии от тела | Тело отдаёт энергию более холодному телу. | Горячий чай остывает в комнате. | Внутренняя энергия отдающего тела уменьшается. |
Ложку опустили в горячую воду. Нужно определить, каким способом меняется внутренняя энергия ложки и в каком направлении. Сначала сравним температуры: вода горячее ложки, поэтому энергия передаётся от воды к ложке. Механическую работу над ложкой не совершают, значит, изменение происходит при теплопередаче.
Ответ: внутренняя энергия ложки изменяется при теплопередаче и увеличивается. По мере нагревания ложки разность температур уменьшается. Направление передачи энергии определяется именно этой разностью температур.
Газ быстро сжали в теплоизолированном сосуде. Нужно выяснить, что произойдёт с внутренней энергией и температурой газа. Теплоизоляция означает, что теплопередачи с окружающей средой нет, однако это не запрещает совершать над газом работу. При сжатии внешняя сила перемещает поршень внутрь, передавая газу энергию.
Ответ: внутренняя энергия увеличится, температура газа обычно станет выше. Причина — работа внешних сил над газом, а не передача теплоты. Быстрое сжатие помогает пренебречь теплообменом с окружающей средой.
Газ получил 500 Дж теплоты и совершил работу 200 Дж. Требуется найти изменение его внутренней энергии. Для газа используем первый закон термодинамики в форме ΔU = Q − A: полученная теплота идёт на изменение внутренней энергии и на работу, совершённую газом. Здесь Q положительно, а A вычитается, потому что работу выполняет сам газ.
Ответ: внутренняя энергия газа увеличилась на 300 Дж. Если бы в условии была указана работа, совершённая над газом, знак работы учитывался бы иначе. Поэтому перед подстановкой важно уточнить, кто именно совершает работу.
Первая ошибка — включать во внутреннюю энергию кинетическую энергию движения тела целиком. Так происходит, когда смешивают механическую энергию тела и энергии его частиц. Проверьте себя: если речь идёт о скорости всего тела относительно наблюдателя, это не составляющая внутренней энергии.
Вторая ошибка — считать, что внутренняя энергия зависит только от температуры. Температура связана с кинетической энергией частиц, но не описывает полностью их взаимодействие. При изменении агрегатного состояния энергия взаимодействия может меняться даже при постоянной температуре, поэтому всегда учитывайте, меняется ли состояние вещества.
Третья ошибка — полагать, что изменить внутреннюю энергию можно только нагреванием. Её действительно меняет теплопередача, но работа тоже может передавать энергию телу или забирать её. Чтобы проверить ответ, спросите себя, могли ли силы совершить работу: например, при трении или сжатии нагрев возможен и без притока теплоты.
Четвёртая ошибка — путать работу над телом и работу, совершённую самим телом. В первом случае энергия обычно передаётся телу, а во втором тело расходует энергию на работу, поэтому знаки изменения различаются. Перед расчётом обозначьте, кто действует на кого, и только затем выбирайте знак работы в формуле.
Для понимания внутренней энергии нужны представления о строении вещества: тело состоит из частиц, которые движутся и взаимодействуют. Знание о тепловом движении и температуре помогает объяснить, как меняется кинетическая составляющая энергии, а понятие механической работы — как энергия передаётся при воздействии сил. Эти основы пригодятся при изучении первого закона термодинамики, который связывает теплоту, работу и изменение внутренней энергии. Они также помогают разбирать работу тепловых двигателей и процессы изменения агрегатного состояния.
Входит ли энергия движения тела как целого во внутреннюю энергию?
Нет. Внутренняя энергия складывается из микроскопической энергии движения и взаимодействия частиц, а не из энергии перемещения тела как целого. Например, скорость автомобиля сама по себе не определяет его внутреннюю энергию.
Может ли внутренняя энергия измениться без изменения температуры?
Да. При изменении агрегатного состояния температура вещества может оставаться постоянной, а внутренняя энергия — меняться. В этом случае изменяется энергия взаимодействия частиц.
Можно ли изменить внутреннюю энергию без теплопередачи?
Да, её можно изменить совершением работы. Например, при быстром сжатии теплоизолированного газа работа над ним увеличивает его внутреннюю энергию без передачи теплоты.
Почему при сжатии газа его внутренняя энергия обычно увеличивается?
При сжатии внешние силы совершают работу над газом. Если теплообмена с окружающей средой нет, эта энергия увеличивает внутреннюю энергию газа, а его температура обычно повышается.
Чем изменение внутренней энергии отличается от самой внутренней энергии?
Внутренняя энергия — это энергия частиц тела в данном состоянии. Изменение внутренней энергии показывает, насколько её конечное значение отличается от начального: ΔU = U₂ − U₁.
§ 75. Внутренняя энергия
