1. Внутренняя энергия

Определения и обозначения

Внутренняя энергия — это сумма кинетической энергии хаотического движения частиц тела и потенциальной энергии их взаимодействия. Кинетическая энергия связана с движением, а потенциальная — с тем, как частицы расположены относительно друг друга. Такое определение позволяет учитывать процессы внутри тела, а не только его движение с места на место.

Тепловое движение — непрерывное хаотическое движение частиц вещества. Оно не прекращается само по себе, даже если тело неподвижно и кажется нам спокойным. Понятие теплового движения помогает объяснить, почему у тела есть внутренняя энергия.

Кинетическая энергия частиц — энергия, которой частицы обладают из-за движения; она зависит от их скорости. Чем быстрее движется частица, тем больше её кинетическая энергия. Поэтому это понятие нужно, чтобы связать нагревание тела с изменением движения его частиц.

Потенциальная энергия взаимодействия частиц — энергия, связанная с их взаимным расположением и силами, с которыми частицы действуют друг на друга. Если расположение частиц меняется, может измениться и эта энергия. Она нужна для описания внутренней энергии, поскольку частицы не только движутся, но и взаимодействуют.

Как это устроено

Частицы тела обладают кинетической энергией, потому что они не стоят на месте: их непрерывное хаотическое движение называется тепловым. Направления и скорости движения отдельных частиц различаются, поэтому тело не перемещается вслед за ними как единое целое. Даже в твёрдом теле частицы колеблются около определённых положений. Следовательно, отсутствие заметного движения тела не означает, что внутри него всё неподвижно.

Потенциальная энергия появляется потому, что частицы взаимодействуют: притягиваются или отталкиваются. Силы взаимодействия зависят от расстояний между частицами, а значит, и от их взаимного расположения. Когда расположение меняется, меняется и энергия взаимодействия. Поэтому при переходе вещества из одного агрегатного состояния в другое внутренняя энергия может измениться не только из-за движения частиц.

Внутренняя энергия включает обе составляющие, потому что внутри тела одновременно происходят движение частиц и их взаимодействие. Энергия движения тела как целого описывает другое: например, автомобиль может ехать быстрее или медленнее, не меняя при этом своего состава и состояния. Если автомобиль остановить, его механическая энергия движения исчезнет, но частицы кузова продолжат двигаться и взаимодействовать. Значит, внутренняя энергия не равна энергии движения всего тела.

Температура связана со средней кинетической энергией хаотического движения частиц: при повышении температуры она возрастает. Слово «средняя» важно, потому что разные частицы движутся с разными скоростями. Нагревание означает, что в среднем движение частиц становится энергичнее. Так температура помогает судить об одной составляющей внутренней энергии, но не описывает напрямую взаимное расположение частиц.

Внутренняя энергия может меняться при изменении температуры и агрегатного состояния. При нагревании или охлаждении меняется средняя кинетическая энергия частиц, а при переходе между твёрдым, жидким и газообразным состояниями меняются также их расположение и взаимодействие. Изменить внутреннюю энергию можно и при взаимодействии тела с другими телами. Поэтому при её сравнении учитывают и температуру, и состояние вещества.

Состав внутренней энергии тела

Чтобы разобраться в изменении внутренней энергии, сначала определите, что изменилось: движение частиц, их взаимное расположение или и то и другое. Столбцы показывают, какую роль играет каждая составляющая. Таблица не сравнивает численные значения энергии, а помогает понять, что именно следует учитывать.

Разбор задач

Температура и движение частиц

Два тела одинаковой массы сделаны из одного вещества, но имеют разную температуру. Нужно сравнить среднюю кинетическую энергию хаотического движения их частиц. Одинаковая масса и состав означают, что сравнение касается одного и того же вещества, а решающим признаком здесь служит температура. Сравнивать скорость каждой отдельной частицы не требуется.

1. Вспоминаем связь: температура характеризует среднюю кинетическую энергию теплового движения частиц.
2. Устанавливаем, какое тело горячее: это тело с более высокой температурой.
3. Делаем вывод о частицах: в среднем их хаотическое движение у более горячего тела энергичнее.

Ответ: большая средняя кинетическая энергия частиц у тела с более высокой температурой. Речь идёт именно о среднем значении, а не о том, что каждая частица горячего тела обязательно движется быстрее любой частицы холодного.

Вода и лёд при температуре плавления

Сравним внутреннюю энергию воды и льда одинаковой массы при температуре плавления. Температура у них одинакова, поэтому нельзя объяснить различие только средней кинетической энергией частиц. Вода и лёд находятся в разных агрегатных состояниях, а значит, частицы в них расположены и взаимодействуют по-разному. Это нужно учитывать при сравнении.

1. Отмечаем, что массы одинаковы и температуры равны: по этим признакам тела не различаются.
2. Учитываем агрегатное состояние: при плавлении меняются взаимное расположение частиц и их взаимодействие.
3. Делаем вывод, что различие связано с потенциальной составляющей внутренней энергии; при плавлении энергия вещества увеличивается.

Ответ: внутренняя энергия воды больше, чем внутренняя энергия льда той же массы при температуре плавления. Одинаковая температура не означает одинаковую внутреннюю энергию, если различается агрегатное состояние. Нагревание не обязательно сопровождает переход: энергия расходуется на изменение состояния вещества.

Нагревание и охлаждение металлической детали

Деталь сначала нагрели, затем быстро охладили, не перемещая её как целое. Нужно выяснить, изменится ли её внутренняя энергия, и не спутать это с механической энергией движения детали. Важна последовательность: нагревание и охлаждение меняют движение частиц, даже если положение детали в комнате остаётся прежним. Уточнение о быстром охлаждении не отменяет этого различия.

1. Отделяем движение детали как целого от движения её частиц: деталь не перемещается, но частицы продолжают двигаться.
2. При нагревании средняя кинетическая энергия частиц возрастает, поэтому внутренняя энергия детали увеличивается.
3. При охлаждении средняя кинетическая энергия уменьшается, поэтому внутренняя энергия снижается.

Ответ: внутренняя энергия меняется и при нагревании, и при охлаждении; после охлаждения она меньше, чем сразу после нагревания. Если деталь охладили до исходной температуры и её состояние не изменилось, внутренняя энергия вернётся примерно к исходному значению. Энергия движения детали как целого здесь не меняется, поскольку деталь не перемещали.

Типичные ошибки

Ошибка: считать внутренней энергией энергию движения тела как целого. Так путают движение тела с движением частиц внутри него, потому что оба случая связаны со словом «движение». Проверьте себя: если тело остановить, его частицы всё равно движутся, значит, внутренняя энергия остаётся. Механическая энергия тела и внутренняя энергия описывают разные процессы.

Ошибка: учитывать только кинетическую энергию частиц. Это кажется достаточным, если рассматривать нагревание, но частицы ещё и взаимодействуют. Проверьте себя: спросите, меняется ли расположение частиц; если да, нужно учитывать потенциальную энергию взаимодействия. Внутренняя энергия включает обе составляющие.

Ошибка: считать, что внутренняя энергия зависит только от температуры. Температура связана со средней кинетической энергией, но состояние вещества также влияет на расположение частиц и их взаимодействие. Проверьте себя: сравните лёд и воду при температуре плавления — температуры одинаковы, а состояния разные. Поэтому для сравнения важны не только показания термометра.

Ошибка: полагать, что у неподвижного тела внутренняя энергия равна нулю. Кажется, будто без движения энергии нет, если смешать движение тела с тепловым движением его частиц. Проверьте себя: неподвижно ли тело только как целое или также каждая частица внутри? Частицы продолжают хаотически двигаться и взаимодействовать, поэтому внутренняя энергия есть.

Связь с другими темами

Чтобы изучать внутреннюю энергию, нужно знать, что вещества состоят из частиц, которые непрерывно движутся и взаимодействуют. Эти представления объясняют обе части внутренней энергии: движение даёт кинетическую составляющую, а взаимодействие — потенциальную. Они также помогают понять различие между движением частиц и перемещением тела как целого.

Дальше понятие внутренней энергии понадобится при изучении способов её изменения. Теплопередача происходит при передаче энергии от одного тела к другому, а совершение работы тоже может изменить энергию частиц. Эти способы помогут объяснить нагревание и охлаждение тел.

Что запомнить

• Внутренняя энергия — сумма кинетической энергии движения частиц и потенциальной энергии их взаимодействия.
• Частицы тела непрерывно и хаотически движутся.
• Температура связана со средней кинетической энергией теплового движения частиц.
• Внутренняя энергия не равна механической энергии движения тела как целого.
• Внутренняя энергия может изменяться при нагревании, охлаждении и изменении агрегатного состояния.