"Физика", Изергин Э.Т.
Внутренняя энергия — это энергия, которой тело обладает благодаря движению и взаимодействию его частиц. Она включает кинетическую энергию хаотического движения молекул, атомов или других частиц и потенциальную энергию их взаимодействия. Понятие помогает объяснить нагревание, охлаждение и изменение состояния вещества. Внутренняя энергия зависит от температуры, массы, рода вещества и агрегатного состояния, но не от движения тела как целого.
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. Она описывает состояние самого вещества, а не движение всего тела. Это понятие используют, чтобы объяснить нагревание, охлаждение и изменения агрегатного состояния.
Тепловое движение — непрерывное и беспорядочное движение частиц вещества. Частицы движутся во всех направлениях и сталкиваются, даже если тело внешне неподвижно. Поэтому тепловое движение является причиной существования кинетической составляющей внутренней энергии.
Кинетическая энергия частиц — энергия, связанная с движением молекул, атомов или других частиц тела. Чем быстрее в среднем движутся частицы, тем больше эта часть внутренней энергии. С температурой прежде всего связывают именно среднюю кинетическую энергию хаотического движения.
Потенциальная энергия взаимодействия частиц — энергия, зависящая от взаимного расположения частиц и сил между ними. При сближении, удалении или перестройке частиц она может изменяться. Это особенно заметно при переходах вещества из одного агрегатного состояния в другое.
Внутренняя энергия складывается из двух частей, потому что частицы тела одновременно движутся и взаимодействуют. Их движение определяет кинетическую энергию, а силы притяжения и отталкивания — потенциальную. Если учитывать только движение, нельзя объяснить, почему энергия меняется при изменении расстояний между частицами.
Температура связана со средней кинетической энергией хаотического движения частиц. При нагревании частицы в среднем движутся быстрее и чаще сталкиваются, поэтому их средняя кинетическая энергия возрастает. Речь идёт именно о среднем значении: отдельные частицы в один и тот же момент могут двигаться с разными скоростями.
Внутренняя энергия зависит от массы тела, потому что в более массивном теле обычно содержится больше частиц. Она зависит и от рода вещества: у разных частиц различаются силы взаимодействия и характер движения. Наконец, состояние вещества тоже имеет значение, поскольку в газе, жидкости и твёрдом теле частицы расположены и связаны по-разному.
Внутренняя энергия не равна механической энергии движения тела как целого. Если мяч летит, его поступательное движение определяет механическую кинетическую энергию, но не отменяет энергии частиц внутри мяча. При остановке мяча энергия его движения может исчезнуть, тогда как внутренняя энергия материала сохранится.
Изменить внутреннюю энергию можно, изменив движение частиц или их взаимное расположение. Нагревание обычно ускоряет частицы, а охлаждение уменьшает их среднюю скорость. Сжатие газа сближает частицы и может изменить энергию их взаимодействия, а плавление или испарение перестраивает расположение частиц и требует изменения потенциальной составляющей.
| Составляющая | Физический смысл | От чего зависит | Пример изменения |
|---|---|---|---|
| Кинетическая энергия частиц | Энергия хаотического движения частиц | От температуры и количества частиц | При нагревании частицы движутся быстрее |
| Потенциальная энергия взаимодействия частиц | Энергия взаимного расположения и сил между частицами | От расстояний между частицами, вещества и состояния | При плавлении меняется расположение частиц |
| Внутренняя энергия тела | Сумма кинетической и потенциальной составляющих | От температуры, массы, вещества и состояния | При охлаждении или переходе состояния изменяется энергия тела |
Сначала определите, о какой составляющей говорится: о движении частиц или об их взаимном расположении. Затем проверьте, изменились ли температура, масса, вещество или агрегатное состояние. В последней строке таблицы учитываются сразу обе составляющие.
Задача 1. Назовите составляющие внутренней энергии нагретого металлического бруска и объясните, что происходит с ними при охлаждении. Нужно не смешивать температуру с полной внутренней энергией тела. Рассмотрим отдельно движение частиц и их взаимодействие.
Ответ: внутренняя энергия состоит из кинетической и потенциальной частей; при охлаждении она обычно уменьшается, причём в первую очередь уменьшается средняя кинетическая энергия атомов.
Задача 2. Сравните внутреннюю энергию двух одинаковых по массе тел из одного вещества, имеющих разные температуры, и двух тел одинаковой температуры, но разной массы. В первом сравнении меняется температура, а во втором — количество вещества. Это позволяет не перепутать влияние разных факторов.
Ответ: в первой паре больше внутреннюю энергию имеет более горячее тело, а во второй — тело большей массы, если остальные условия одинаковы.
Задача 3. Объясните изменение внутренней энергии газа при его сжатии и при последующем нагревании. При сжатии нужно рассмотреть не только скорость частиц, но и расстояния между ними. При нагревании главным становится изменение средней скорости движения.
Ответ: сжатие изменяет расстояния между частицами и может увеличить энергию газа за счёт работы; нагревание дополнительно увеличивает среднюю кинетическую энергию частиц.
Ошибка: считать внутреннюю энергию полной механической энергией тела. Так происходит из-за общего слова «энергия», но механическая энергия относится к движению и положению тела как целого. Проверьте себя: мысленно остановите движущееся тело и спросите, останется ли энергия его частиц.
Ошибка: утверждать, что внутренняя энергия зависит только от температуры. Такой вывод забывает о числе частиц, свойствах вещества и его состоянии. Для проверки сравните маленький и большой куски одного вещества при одинаковой температуре.
Ошибка: отождествлять температуру с внутренней энергией. Температура характеризует среднюю кинетическую энергию частиц, а внутренняя энергия включает ещё и потенциальную составляющую. Проверьте ответ вопросом: учтено ли взаимное расположение частиц?
Ошибка: считать, что покоящееся тело не имеет внутренней энергии. Покой относится к телу в целом, тогда как его частицы продолжают двигаться и взаимодействовать. Если частицы существуют, у них есть энергия движения и взаимодействия.
До изучения темы нужно знать строение вещества, тепловое движение, температуру и основные виды механической энергии. Эти знания помогают различать движение тела как целого и движение его частиц. Без такого различия трудно правильно определить внутреннюю энергию.
Понятие внутренней энергии служит основой для изучения способов её изменения, теплопередачи и количества теплоты. Нагревание, охлаждение и работа внешних сил рассматриваются как причины изменения состояния частиц. Поэтому следующая тема естественно опирается на этот параграф.
Внутренняя энергия используется при объяснении плавления, испарения, конденсации и других переходов вещества. Она также необходима для понимания работы тепловых машин. Во всех этих явлениях меняются движение частиц, их расположение или взаимодействие.
Чем внутренняя энергия отличается от механической энергии тела?
Механическая энергия тела как целого связана с его движением и положением относительно других тел. Внутренняя энергия относится к движению частиц внутри тела и силам их взаимодействия. Поэтому тело может покоиться, но сохранять внутреннюю энергию.
Почему у неподвижного тела есть внутренняя энергия?
Покой тела означает только отсутствие движения всего тела как единого целого. Его частицы продолжают хаотически двигаться и взаимодействовать друг с другом. Поэтому у неподвижного тела есть и кинетическая, и потенциальная составляющие внутренней энергии.
Зависит ли внутренняя энергия от температуры?
Да, при повышении температуры увеличивается средняя кинетическая энергия частиц, поэтому обычно возрастает и внутренняя энергия. Но температура не является единственным фактором: имеют значение также масса, вещество и агрегатное состояние.
Почему два тела одинаковой температуры могут иметь разную внутреннюю энергию?
При одинаковой температуре средняя кинетическая энергия частиц может быть одинаковой, но число частиц у тел различается. Кроме того, тела могут состоять из разных веществ или находиться в разных состояниях. Поэтому их внутренняя энергия не обязана быть одинаковой.
Что происходит с внутренней энергией при нагревании и охлаждении тела?
При нагревании частицы в среднем движутся быстрее, поэтому кинетическая составляющая внутренней энергии увеличивается. При охлаждении она уменьшается. При изменении агрегатного состояния может заметно меняться и потенциальная энергия взаимодействия частиц.
§ 29. Внутренняя энергия
