§ 30. Способы изменения внутренней энергии

Определения и обозначения

Внутренняя энергия — энергия движения и взаимодействия частиц, из которых состоит тело. Частицы непрерывно движутся и действуют друг на друга, поэтому их энергия образует часть энергии тела. Это понятие нужно, чтобы объяснять нагревание и охлаждение не только через видимые движения предметов.

Изменение внутренней энергии — изменение энергии тела при изменении скорости движения частиц или расстояний между ними. Если частицы движутся быстрее или взаимодействуют иначе, запас внутренней энергии меняется. Так можно описать, почему меняется температура или состояние вещества.

Теплопередача — передача энергии от более нагретого тела к менее нагретому без совершения механической работы. Энергия переходит из-за разности температур, например от горячей плиты к кастрюле. Это определение помогает отличать сам процесс передачи энергии от результата — нагревания или охлаждения.

Совершение работы — способ изменения внутренней энергии, при котором энергия передаётся телу или отнимается от него в результате действия силы. Так происходит при трении, сжатии или расширении газа. Понятие нужно, чтобы понимать: нагревание не всегда требует контакта с горячим телом.

Как это устроено

Вещество состоит из частиц, которые беспорядочно движутся и взаимодействуют. Движение тела как целого — это согласованное перемещение всех его частиц, например полёт мяча. Внутренняя энергия связана с хаотическим движением частиц и их взаимным расположением, поэтому быстрый мяч не обязательно имеет большую внутреннюю энергию, чем неподвижный.

При увеличении скорости движения частиц их кинетическая энергия возрастает. Обычно это проявляется повышением температуры тела, потому что температура связана со средней энергией хаотического движения частиц. Если частицы движутся медленнее, температура и внутренняя энергия могут уменьшаться.

При механической работе энергия изменяется из-за действия силы. Когда ладони трутся или газ сжимают, внешняя сила передаёт энергию частицам: их движение становится интенсивнее, а внутренняя энергия увеличивается. При расширении газ сам действует на поршень и тратит энергию, поэтому его внутренняя энергия может уменьшиться.

Теплопередача происходит без обязательного перемещения тела и без механической работы. Частицы более горячего тела передают часть энергии частицам холодного тела при контакте или через излучение. Поэтому энергия самопроизвольно переходит от более высокой температуры к более низкой, пока температуры не начнут выравниваться.

Нагревание означает увеличение внутренней энергии, а охлаждение — её уменьшение. Один и тот же результат получают разными способами: брусок нагревается на горячей плите из-за теплопередачи, а при ударах молотка — из-за работы силы. Значит, по конечному результату нельзя сразу определить способ: нужно выяснить, каким образом поступила или ушла энергия.

Способы изменения внутренней энергии

В первых трёх строках указаны способы передачи энергии, а в последних двух — возможные результаты. Чтобы пользоваться таблицей, сначала определите, действовала ли сила или был контакт тел с разной температурой. Затем установите, получила система энергию или отдала её.

Разбор задач

Трение ладоней

Условие. Объяснить, почему при трении ладоней друг о друга они нагреваются. Нужно определить источник энергии и способ изменения внутренней энергии.

1. При движении ладоней сила трения направлена против движения, поэтому человек совершает работу.
2. Энергия движения передаётся поверхностным слоям кожи и частично расходуется на изменение движения их частиц.
3. Средняя энергия хаотического движения частиц увеличивается, поэтому температура ладоней повышается.

Ответ. Ладони нагреваются из-за совершения работы силами трения: механическая энергия переходит во внутреннюю энергию кожи.

Сжатие газа в цилиндре

Условие. Газ в цилиндре с поршнем сжали. Определить, каким способом изменилась его внутренняя энергия.

1. На поршень действует внешняя сила и перемещает его, значит, над газом совершается механическая работа.
2. При сжатии частицы газа получают энергию, а расстояния между ними уменьшаются.
3. Внутренняя энергия газа увеличивается, что обычно сопровождается повышением температуры.

Ответ. Внутренняя энергия газа изменилась вследствие совершения работы над ним и увеличилась.

Нагревание металлического бруска

Условие. Металлический брусок сначала нагрели на горячей плите, а затем в другом опыте — ударами молотка. Назвать способ изменения внутренней энергии в каждом случае.

1. При контакте с горячей плитой энергия переходит от более горячего тела к бруску без механической работы.
2. При ударах молотка сила перемещает брусок или деформирует его, поэтому совершается работа.
3. В обоих опытах внутренняя энергия бруска увеличивается, но причины передачи энергии различны.

Ответ. На плите брусок нагревается теплопередачей, а при ударах — совершением работы. Общий результат — увеличение внутренней энергии и температуры.

Типичные ошибки

Первая ошибка — считать внутреннюю энергию механической энергией движения тела как целого. Её допускают, потому что в обоих случаях говорят об энергии, но внутренняя энергия относится к частицам; проверьте, описываете ли вы хаотическое движение внутри тела.

Вторая ошибка — утверждать, что энергия меняется только при нагревании. Нагревание может быть результатом, а причиной бывает также работа; вспомните трение или сжатие газа.

Третья ошибка — называть теплопередачей любое нагревание. Теплопередача — это путь передачи энергии, поэтому уточните, был ли контакт тел с разной температурой или действовала сила.

Четвёртая ошибка — считать, что работа всегда увеличивает внутреннюю энергию. Если работу совершает само тело, например расширяющийся газ, оно отдаёт энергию; проверьте, кто действует силой и кто перемещается.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении вещества: частицы движутся и взаимодействуют, а энергия может переходить между телами. Далее эти идеи используются при изучении температуры, количества теплоты и видов теплопередачи. Позже они помогают объяснять работу тепловых двигателей и применять закон сохранения энергии.

Что запомнить

• Внутренняя энергия связана с движением и взаимодействием частиц тела.
• Внутренняя энергия не зависит от движения тела как целого.
• Изменить внутреннюю энергию можно совершением работы.
• Изменить внутреннюю энергию можно теплопередачей.
• При теплопередаче энергия переходит от более горячего тела к более холодному.
• Работа и теплопередача — разные способы передачи энергии.
• При совершении работы и при теплопередаче внутренняя энергия может как увеличиваться, так и уменьшаться.