§ 6. Внутренняя энергия. Работа и изменение внутренней энергии

Определения и обозначения

Внутренняя энергия — энергия движения частиц тела и их взаимодействия. Она складывается из кинетической энергии частиц, то есть энергии их движения, и потенциальной энергии, связанной с их взаимодействием. Это понятие помогает описать энергетическое состояние вещества, не учитывая движение тела целиком.

Тепловое движение — беспорядочное движение частиц вещества. Чем интенсивнее движутся частицы, тем выше температура тела. Это позволяет связать наблюдаемое нагревание с изменениями на уровне частиц.

Работа силы — способ передачи энергии, при котором сила действует на тело и вызывает его перемещение или деформацию. Работа может совершаться как внешней силой над телом, так и самим телом. Различать эти случаи нужно, чтобы понять, куда переходит энергия.

Изменение внутренней энергии — увеличение или уменьшение энергии движения и взаимодействия частиц тела. Оно может происходить, например, когда над телом совершают механическую работу или когда работу совершает само тело. Поэтому для объяснения изменения энергии важно выяснить, что происходило с телом.

Как это устроено

Частицы любого тела движутся и взаимодействуют друг с другом. Поэтому у тела есть внутренняя энергия, даже если оно неподвижно относительно окружающих предметов. Покой тела как целого не останавливает движение его частиц. Именно поэтому внутренняя энергия не исчезает, когда мы кладём предмет на стол.

При нагревании частицы начинают двигаться интенсивнее, и их кинетическая энергия возрастает. Температура связана с интенсивностью этого теплового движения. Но энергия частиц определяется не только их движением: если меняются расстояния между ними, может измениться и энергия их взаимодействия. Поэтому внутренняя энергия способна измениться при изменении состояния тела.

При трении поверхности соприкасаются, а сила трения препятствует их движению друг относительно друга. Для преодоления этой силы приходится совершать работу, и часть механической энергии переходит во внутреннюю энергию тел. Частицы начинают двигаться интенсивнее, поэтому трущиеся поверхности нагреваются. Похожий переход происходит при ударе: деформация тела и взаимодействие при столкновении могут нагреть его.

Чтобы определить, увеличится ли внутренняя энергия при работе, выясняют, кто именно её совершает. Если внешняя сила действует на тело и сжимает его, энергия может передаваться телу, поэтому внутренняя энергия может увеличиться. Если тело само совершает работу за счёт своей энергии, его внутренняя энергия может уменьшиться. Итог зависит от происходящего с телом, а не от самого слова «работа».

Внутреннюю энергию не следует путать с энергией движения тела как целого. У движущегося предмета есть энергия такого движения, но она не становится частью внутренней энергии. Если два одинаковых тела находятся в одинаковом состоянии, но одно покоится, а другое движется, их внутренние энергии могут быть одинаковыми. Это объясняется тем, что внутренняя энергия связана с частицами внутри тела, а не с перемещением всего тела.

Как работа связана с изменением внутренней энергии

Таблица показывает, кто совершает работу и как это может повлиять на внутреннюю энергию. При разборе конкретного случая сначала определите действующую силу и выясните, над каким телом совершается работа. Слово «может» важно: изменение зависит от условий процесса.

Разбор задач

Задача 1. Ладони быстро потёрли друг о друга. Объясните, почему они нагрелись.

1. При трении ладони движутся относительно друг друга, а сила трения мешает этому движению.
2. Чтобы продолжать тереть ладони, человек совершает работу. Эта механическая энергия переходит во внутреннюю энергию ладоней.
3. Движение частиц становится интенсивнее, поэтому температура ладоней повышается.

Ответ: работа при трении увеличивает внутреннюю энергию ладоней, поэтому они нагреваются.

Задача 2. Воздух в закрытом цилиндре сжимают поршнем. Как изменится внутренняя энергия воздуха и почему?

1. Определяем, кто совершает работу: поршень под действием внешней силы сжимает газ.
2. Значит, внешняя сила совершает работу над воздухом и передаёт ему энергию.
3. Внутренняя энергия воздуха может увеличиться, поскольку меняется энергия движения и взаимодействия его частиц.

Ответ: внутренняя энергия воздуха может увеличиться, потому что над газом совершают работу, сжимая его поршнем.

Задача 3. При забивании гвоздя его шляпка нагрелась. Назовите тело, над которым совершается работа, и объясните превращение энергии.

1. При ударе молоток действует на гвоздь и деформирует его шляпку. Работа совершается над гвоздём, а при взаимодействии работа также может совершаться над молотком.
2. Механическая энергия удара переходит во внутреннюю энергию соприкасающихся тел.
3. Из-за изменения движения и взаимодействия частиц температура гвоздя и молотка может повыситься.

Ответ: работа совершается над гвоздём; механическая энергия удара частично переходит во внутреннюю энергию гвоздя и молотка.

Типичные ошибки

Ошибочно считать внутренней энергией движение тела как целого. Так путают два разных вида энергии, потому что оба связаны с движением. Проверьте себя: спросите, движется ли тело целиком или его частицы внутри тела.

Неверно полагать, что внутренняя энергия зависит только от температуры. Такая мысль возникает потому, что температуру легко наблюдать и измерять, а взаимодействие частиц напрямую не видно. Проверьте, не менялись ли расстояния и взаимное расположение частиц: это тоже может изменить энергию их взаимодействия.

Работа не всегда увеличивает внутреннюю энергию. Ошибка появляется, если не учитывать направление передачи энергии и кто совершает работу. Чтобы проверить вывод, установите, действует ли внешняя сила на тело или само тело совершает работу.

Внутренняя энергия может измениться и без нагревания пламенем. Иногда нагрев связывают только с огнём, забывая о механической работе при трении, ударе или сжатии. Проверьте, совершалась ли работа и могла ли механическая энергия перейти во внутреннюю.

Связь с другими темами

Для изучения внутренней энергии нужны знания о строении вещества, движении и взаимодействии частиц. Также пригодится понятие механической работы: оно помогает проследить, как энергия передаётся при сжатии, трении или ударе. Эти представления объясняют, почему тело может изменить своё состояние без контакта с пламенем.

Дальше тема поможет разбирать теплопередачу и другие способы изменения внутренней энергии. Сравнивая работу и теплопередачу, можно выяснить, каким способом энергия передаётся телу. Это основа для объяснения разных тепловых явлений.

Что запомнить

• Внутренняя энергия связана с движением и взаимодействием частиц.
• Движение тела как целого не является его внутренней энергией.
• Температура связана с интенсивностью теплового движения частиц.
• Совершение работы может изменить внутреннюю энергию тела.
• При трении и ударе механическая энергия может переходить во внутреннюю.
• Работа внешней силы над телом может увеличить его внутреннюю энергию.