"Физика", Кабардин О.Ф.
Внутренняя энергия — энергия движения и взаимодействия частиц, из которых состоит тело. Она не включает движение самого тела как целого. Температура показывает, насколько энергично движутся частицы, а их расположение влияет на потенциальную часть энергии. Внутреннюю энергию можно изменить двумя способами: передать тепло или совершить работу, например при трении, сжатии и деформации.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Внутренняя энергия — это сумма кинетической энергии хаотического движения частиц тела и потенциальной энергии их взаимодействия. Кинетическая энергия связана с движением частиц, а потенциальная — с их взаимным расположением и силами притяжения или отталкивания. Это понятие нужно, чтобы объяснять нагревание, охлаждение и другие изменения состояния тела.
Тепловое движение — непрерывное хаотическое движение частиц вещества. Частицы движутся беспорядочно: сталкиваются, меняют направление и скорость, хотя само тело может оставаться неподвижным. Представление о таком движении помогает понять, почему температура связана с энергией частиц.
Теплопередача — это изменение внутренней энергии без совершения работы над телом или самим телом. Энергия при этом переходит от более нагретого тела к менее нагретому, например от горячего чая к ложке. Определение позволяет отличать передачу энергии от нагревания трением или сжатием.
При совершении работы внутренняя энергия тела может измениться. Если ладони потереть, сила трения изменит движение частиц, и ладони нагреются. Значит, нагревание возможно не только при передаче тепла, но и в результате действия сил.
Внутренняя энергия складывается из энергий частиц, потому что тело состоит из множества непрерывно движущихся и взаимодействующих частиц. Движение тела целиком означает, что все его частицы одновременно перемещаются в одном направлении, и это относится к механической энергии тела. Внутренняя энергия учитывает только движение частиц относительно друг друга и их взаимодействие, поэтому движение автомобиля по дороге в неё не включается.
Температура связана со средней кинетической энергией хаотического движения частиц. Чем выше температура, тем быстрее в среднем движутся частицы, хотя скорости отдельных частиц могут различаться. Поэтому при нагревании внутренняя энергия обычно возрастает: увеличивается кинетическая составляющая, а иногда меняется и энергия взаимодействия частиц.
Взаимное расположение частиц влияет на потенциальную составляющую внутренней энергии. При сближении частиц могут сильнее проявляться силы отталкивания, а при удалении — изменяться силы притяжения. Поэтому изменение объёма, формы или состояния вещества способно изменить внутреннюю энергию даже тогда, когда температура меняется мало.
Изменить внутреннюю энергию можно теплопередачей или совершением работы. Горячая батарея передаёт энергию воздуху без обязательного выполнения механической работы, а при трении ладоней работа силы трения превращается во внутреннюю энергию. В быту оба способа встречаются часто: чайник передаёт воде энергию, а насос нагревается при сжатии воздуха.
Одно и то же тело может иметь разную внутреннюю энергию при одинаковом движении как целого. Например, неподвижная холодная ложка и неподвижная горячая ложка движутся одинаково с точки зрения механики, но частицы горячей ложки в среднем движутся быстрее. Кроме того, при плавлении, испарении или сжатии меняется расположение частиц, поэтому меняется и потенциальная часть внутренней энергии.
| Способ | Как изменяется энергия | Пример |
|---|---|---|
| Теплопередача | Энергия передаётся от более нагретого тела к менее нагретому | Ложка нагревается в горячем чае |
| Совершение работы | Энергия изменяется при деформации, трении или сжатии тела | Ладони нагреваются при трении |
| Оба способа одновременно | Тело получает или отдаёт энергию и одновременно участвует в совершении работы | Газ нагревают и сжимают поршнем |
Пользуясь таблицей, сначала определите, передаётся ли энергия между телами из-за разности температур. Затем проверьте, действует ли сила и совершается ли работа: это укажет на второй способ. В одной ситуации способы могут складываться, поэтому нужно учитывать оба воздействия.
Ложку опустили в горячий чай. Нужно определить, как изменяется её внутренняя энергия и почему. Температура чая выше температуры ложки, поэтому направление передачи энергии можно установить сразу.
Ответ: внутренняя энергия ложки увеличивается способом теплопередачи от горячего чая к ложке.
При трении ладони нагрелись. Требуется выяснить, произошло ли изменение внутренней энергии и какой способ его вызвал. Здесь нет обязательного контакта с горячим телом, поэтому нужно обратить внимание на действие силы и перемещение ладоней.
Ответ: внутренняя энергия ладоней увеличилась вследствие совершения работы при трении.
Газ в цилиндре нагревают и одновременно сжимают поршнем. Нужно назвать оба способа изменения внутренней энергии и определить общий результат. Оба воздействия передают газу энергию, поэтому их действие направлено в одну сторону.
Ответ: внутренняя энергия газа изменяется одновременно из-за теплопередачи и совершения работы; в описанной ситуации она увеличивается.
Ошибка: считать внутренней энергией энергию движения тела как целого. Так происходит, когда смешивают механическое движение предмета с движением его частиц. Проверьте себя: если тело остановить, его внутренняя энергия может остаться прежней.
Ошибка: отождествлять внутреннюю энергию только с температурой. Температура характеризует среднюю кинетическую энергию частиц, но не показывает полностью энергию их взаимодействия. Проверьте, не меняются ли объём, форма или состояние вещества.
Ошибка: думать, что внутренняя энергия меняется только при нагревании. Её можно увеличить или уменьшить при трении, деформации и сжатии без обычного нагревателя. Если действует сила и тело перемещается или деформируется, рассмотрите возможность совершения работы.
Ошибка: считать теплопередачу и работу одним и тем же. При теплопередаче энергия переходит из-за разности температур, а при работе — из-за действия силы. Для проверки назовите причину изменения энергии: разность температур или механическое воздействие.
До изучения внутренней энергии нужно знать, что вещества состоят из частиц, частицы движутся, а температура характеризует степень нагретости тела. Эти представления объясняют, почему частицы имеют кинетическую энергию и взаимодействуют между собой.
Понятие внутренней энергии понадобится при изучении теплопередачи, тепловых явлений и работы тепловых машин. Оно помогает проследить, откуда тело получает энергию, куда она переходит и почему изменяется его состояние.
Что именно называют внутренней энергией тела?
Внутренняя энергия — это сумма кинетической энергии хаотического движения частиц тела и потенциальной энергии их взаимодействия. Она связана с тем, что происходит внутри тела, на уровне его частиц.
Входит ли энергия движения тела как целого во внутреннюю энергию?
Нет, не входит. Движение тела как целого описывается его механической энергией, а внутренняя энергия относится только к движению и взаимодействию частиц.
Почему при нагревании обычно увеличивается внутренняя энергия?
При нагревании частицы в среднем движутся быстрее, поэтому возрастает их средняя кинетическая энергия. В результате внутренняя энергия тела обычно увеличивается.
Можно ли изменить внутреннюю энергию без нагревания?
Да. Внутренняя энергия изменяется при совершении работы: например, ладони нагреваются при трении, а газ нагревается при сжатии.
Чем теплопередача отличается от совершения работы?
При теплопередаче энергия переходит от более нагретого тела к менее нагретому без совершения работы. При совершении работы энергия изменяется из-за действия силы, например при трении, сжатии или деформации.
§ 30. Внутренняя энергия
