§ 19. Внутренняя энергия

Определения и обозначения

Внутренняя энергия — энергия движения и взаимодействия частиц, из которых состоит тело. Она не включает кинетическую и потенциальную энергию тела как целого, например энергию летящего мяча из-за его движения. Это определение помогает отделить процессы внутри тела от его движения в пространстве.

Тепловое движение — непрерывное хаотическое движение частиц вещества. Из-за него частицы имеют кинетическую энергию, то есть энергию движения. Понятие нужно, чтобы объяснить связь температуры тела с движением его частиц.

Взаимодействие частиц — их взаимное притяжение и отталкивание. Оно определяет потенциальную энергию частиц, которая зависит от их взаимного расположения. Это позволяет понять, почему внутренняя энергия меняется не только при изменении скорости частиц.

Внутреннюю энергию можно изменить совершением работы или теплопередачей. Работа связана с действием сил, а теплопередача — с передачей энергии от одного тела другому. Оба процесса меняют состояние тела, например его температуру или внутреннюю энергию.

Как это устроено

Частицы вещества движутся и одновременно взаимодействуют друг с другом, поэтому внутренняя энергия складывается из двух частей. Кинетическая часть связана с хаотическим движением частиц, а потенциальная — с их взаимодействием и расположением. Если учитывать только движение, описание будет неполным: даже неподвижные относительно друг друга частицы взаимодействуют.

При нагревании средняя кинетическая энергия частиц возрастает, поэтому температура тела повышается. Температура показывает, насколько интенсивно в среднем движутся частицы, но не описывает всю внутреннюю энергию. Например, одинаковая температура сама по себе не гарантирует, что у разных тел одинаковая внутренняя энергия: имеют значение и другие свойства тела.

Потенциальная часть внутренней энергии зависит от того, притягиваются или отталкиваются частицы и как они расположены друг относительно друга. Если расстояния между частицами изменяются, меняется и энергия их взаимодействия. Поэтому внутренняя энергия может измениться даже без заметного изменения температуры, если изменилось взаимное расположение частиц.

Внутренняя энергия не равна механической энергии тела как целого. Если неподвижный металлический предмет нагреть, его частицы начнут в среднем двигаться быстрее, хотя сам предмет останется на месте. Если потереть ладони, механическое движение ладоней также переходит во внутреннее изменение: ладони нагреваются. Значит, изменение внутренней энергии возможно без изменения движения тела как целого.

Первый способ изменения внутренней энергии — совершение работы над телом или самим телом. При сжатии газа поршень действует на газ, а при трении силы действуют на соприкасающиеся поверхности; в обоих случаях энергия может перейти во внутреннюю. Второй способ — теплопередача, то есть передача энергии без совершения механической работы. Она происходит, например, когда ложка соприкасается с горячей водой, и энергия переходит от более нагретой воды к менее нагретой ложке.

Способы изменения внутренней энергии

В таблице собраны два способа изменения внутренней энергии и общий итог их действия. Чтобы определить способ в конкретной ситуации, спроси себя: действовали ли силы и совершалась ли механическая работа или энергия передавалась из-за разницы температур? Иногда оба способа действуют одновременно.

Разбор задач

1. Трение ладоней

Условие: при трении ладони нагреваются. Нужно определить, каким способом изменилась их внутренняя энергия и почему. Температура ладоней растёт, хотя теплопередача от отдельного горячего тела в условии не указана.

1. Определяем, что происходит с ладонями: они трутся друг о друга, а между поверхностями действуют силы трения.
2. Силы трения совершают работу; механическая энергия движения ладоней переходит во внутреннюю энергию соприкасающихся поверхностей.
3. Нагревание показывает, что внутренняя энергия ладоней увеличилась. Значит, основная причина — совершение работы силами трения.

Ответ: внутренняя энергия ладоней увеличилась за счёт работы сил трения. Не следует называть причиной только «нагревание»: нужно указать физический процесс, который привёл к нему.

2. Ложка в горячей воде

Условие: ложку опустили в горячую воду. Нужно выяснить, как меняется её внутренняя энергия и за счёт чего. Вода горячее ложки, поэтому между ними есть разность температур.

1. Сравниваем температуры: вода более нагрета, а ложка менее нагрета.
2. При контакте энергия передаётся от воды к ложке. Механическая работа над ложкой в описанной ситуации не совершается.
3. Получая энергию, частицы ложки начинают в среднем двигаться интенсивнее, поэтому внутренняя энергия ложки увеличивается.

Ответ: внутренняя энергия ложки увеличивается за счёт теплопередачи от горячей воды. Энергия переходит от более нагретого тела к менее нагретому.

3. Сжатие и нагревание газа

Условие: газ в цилиндре сжимают поршнем и одновременно нагревают. Нужно назвать оба процесса, изменяющих внутреннюю энергию газа. Важно не выбрать только один из них: по условию происходят сразу два воздействия.

1. Поршень сжимает газ и действует на него силой. Это работа над газом, которая может увеличить его внутреннюю энергию.
2. Нагреватель передаёт энергию газу из-за разности температур. Это теплопередача, также изменяющая внутреннюю энергию.
3. Учитываем совместное действие процессов: оба вносят вклад в изменение внутренней энергии. Без дополнительных данных нельзя определить величину изменения или сравнить вклады.

Ответ: внутренняя энергия газа меняется и из-за работы поршня, и из-за теплопередачи от нагревателя. Оба процесса действуют одновременно.

Типичные ошибки

Ошибка: считать внутренней энергией энергию движения тела как целого. Так путают движение предмета в пространстве с движением его частиц. Проверь себя: если тело остановить, внутреннее движение частиц не обязательно прекратится.

Ошибка: сводить внутреннюю энергию только к кинетической энергии частиц. Часто внимание сосредоточено на температуре, но в состав энергии входит и потенциальная часть взаимодействия. Проверь себя: вспомни, что частицы не только движутся, но и притягиваются или отталкиваются.

Ошибка: утверждать, что внутренняя энергия меняется только при нагревании. Такое впечатление создают бытовые примеры, в которых изменение температуры заметно сразу. Проверь себя: при трении или сжатии тела работу можно совершить и без нагревателя.

Ошибка: считать, что тепло «содержится» в теле как отдельный вид энергии. Так смешивают энергию тела с процессом её передачи. Проверь себя: внутренняя энергия относится к состоянию тела, а теплопередача описывает переход энергии между телами.

Связь с другими темами

Для понимания внутренней энергии нужны знания о тепловом движении частиц, температуре и механической работе. Температура помогает судить о средней кинетической энергии частиц, а работа объясняет один из способов изменения энергии тела. Эти понятия связывают наблюдаемые явления с процессами на уровне частиц.

Понятие внутренней энергии понадобится при изучении тепловых явлений и способов передачи теплоты. Позже оно станет основой для первого закона термодинамики, который описывает связь изменения внутренней энергии с работой и передачей энергии. Поэтому важно различать сами способы изменения энергии.

Что запомнить

• Внутренняя энергия относится к частицам тела, а не к движению тела как целого.
• Она включает кинетическую энергию движения частиц.
• Она включает потенциальную энергию взаимодействия частиц.
• Внутреннюю энергию можно изменить совершением работы.
• Внутреннюю энергию можно изменить теплопередачей.
• Температура связана со средней кинетической энергией хаотического движения частиц.