"Физика (в 2 частях)", Генденштейн Л.Э., Булатова А.А., Корнильев И.Н., Кошкина А.В.; под ред. Орлова В.А.
Внутренняя энергия связана с движением и взаимодействием частиц, из которых состоит тело. Она может измениться, даже если тело как целое остаётся на месте: достаточно передать ему энергию теплопередачей или совершить над ним работу. Эти способы помогают объяснить нагревание при трении, остывание предметов и действие бытовых приборов. Главное — определить, откуда и каким путём поступила энергия.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Внутренняя энергия — энергия движения частиц вещества и их взаимодействия. Она зависит от того, как движутся частицы, как они расположены и взаимодействуют, а также от количества вещества и его состояния. Это понятие нужно, чтобы описывать энергию внутри тела, не смешивая её с движением тела целиком.
Изменение внутренней энергии — увеличение или уменьшение внутренней энергии тела при изменении движения и взаимодействия его частиц. Частицы могут начать двигаться быстрее или медленнее, а расстояния между ними — измениться. Понятие помогает выяснить, почему тело нагрелось или остыло и куда перешла энергия.
Теплопередача — изменение внутренней энергии без совершения механической работы, когда энергия передаётся от более нагретого тела к менее нагретому. Причиной служит разность температур: при контакте тела обмениваются энергией. Так можно объяснить нагрев ложки в горячей воде или остывание напитка.
Совершение работы — способ изменения внутренней энергии, при котором энергия передаётся телу или отнимается от него в результате действия внешних сил. Если над телом совершают работу, его внутренняя энергия обычно увеличивается; если работу совершает само тело, она может уменьшиться. Это определение нужно, чтобы отличать изменение энергии при сжатии и трении от передачи тепла.
Вещество состоит из частиц, которые непрерывно движутся и взаимодействуют друг с другом. Когда частицы движутся быстрее, увеличивается их энергия движения; при изменении расстояний между ними меняется энергия взаимодействия. Поэтому изменение скорости частиц или их расположения меняет внутреннюю энергию, даже если тело в целом покоится. Например, при нагревании частицы обычно движутся интенсивнее, а при изменении состояния вещества может меняться и их взаимное расположение.
Если соприкасаются тела с разной температурой, энергия передаётся от более нагретого тела к менее нагретому. Частицы более тёплого тела передают энергию частицам соседнего тела при взаимодействии, поэтому его внутренняя энергия растёт, а у первого тела обычно уменьшается. Обмен продолжается, пока температуры не сравняются или пока условия теплообмена не изменятся. Важно смотреть на разность температур: без неё самопроизвольная передача энергии в одном направлении не объясняется теплопередачей.
Для теплопередачи не обязательно, чтобы тело целиком перемещалось из одного места в другое. Энергия может переходить между соприкасающимися частицами внутри неподвижных тел или на границе двух тел, как при нагревании ложки в чашке. Движение частиц при этом есть, но это не то же самое, что перемещение всего предмета. Поэтому ложка нагревается, хотя остаётся в воде на месте.
Работа меняет внутреннюю энергию, когда сила вызывает перемещение или деформацию тела. При сжатии газа поршень действует на газ и передаёт ему энергию, поэтому газ обычно нагревается; при трении работа также превращается во внутреннюю энергию. Если же расширяющийся газ толкает поршень, он сам совершает работу и передаёт часть своей энергии поршню. В таком случае внутренняя энергия газа может уменьшиться.
Одно и то же изменение внутренней энергии можно получить разными путями: передать энергию теплопередачей, совершить работу или сочетать оба способа. Например, газ можно нагреть в сосуде, передавая ему энергию от горячего тела, либо сжать поршнем. Если оба процесса идут одновременно, один может увеличивать внутреннюю энергию, а другой уменьшать её. Чтобы определить итог, нужно учесть, сколько энергии поступило и сколько было отдано, а не рассматривать лишь один процесс.
| Способ | Условие протекания | Как передаётся энергия | Пример | Результат |
|---|---|---|---|---|
| Теплопередача | Есть разность температур между телами | От более нагретого тела к менее нагретому без механической работы | Ложка нагревается в горячей воде | Внутренняя энергия получающего тела увеличивается |
| Совершение работы над телом | Внешняя сила действует на тело и перемещает или деформирует его | Энергия передаётся телу действием силы | Газ сжимают поршнем | Внутренняя энергия тела обычно увеличивается |
| Совершение работы телом | Тело действует силой и перемещает другое тело | Энергия передаётся от тела окружающим предметам | Газ толкает поршень при расширении | Внутренняя энергия тела может уменьшиться |
| Одновременная теплопередача и совершение работы | Тело обменивается энергией из-за разности температур и одновременно взаимодействует с силами | Энергия поступает и уходит по разным путям | Газ сжимают в цилиндре, который охлаждают водой | Итог зависит от того, какой процесс сильнее влияет на энергию |
Сначала определите, есть ли разность температур, действие силы или оба условия. Затем проследите направление передачи энергии: к телу или от него. В последнем столбце указан возможный итог, но при совместном действии процессов нужно учитывать их влияние вместе.
Условие. Ладони растирают друг о друга, и они становятся тёплыми. Нужно объяснить причину нагревания и назвать способ изменения внутренней энергии. Сначала выясним, происходит ли обмен энергией из-за разности температур или здесь действуют силы.
Ответ. Ладони нагреваются из-за увеличения внутренней энергии при совершении работы над ними. Это не пример теплопередачи от горячего тела к холодному.
Условие. Металлическую ложку опустили в горячую воду, и спустя некоторое время она нагрелась. Нужно назвать способ изменения внутренней энергии ложки и направление передачи энергии. Сравним температуры воды и ложки.
Ответ. Ложка нагревается благодаря теплопередаче от более горячей воды к менее нагретому металлу.
Условие. Воздух в цилиндре с поршнем сжимают, а сам цилиндр одновременно помещают в холодную воду. Требуется объяснить, почему внутренняя энергия воздуха может и увеличиваться, и уменьшаться. Здесь одновременно действуют работа и теплопередача.
Ответ. Внутренняя энергия воздуха может увеличиться, если действие сжатия преобладает, или уменьшиться, если отвод энергии при охлаждении сильнее. Без сведений о ходе процессов нельзя однозначно определить итог.
Ошибка: считать внутреннюю энергию механической энергией движения тела как целого. Такое смешение возникает потому, что оба понятия включают слово «энергия». Проверка: мысленно остановите тело целиком — частицы всё равно продолжают двигаться и взаимодействовать, значит, внутренняя энергия может сохраняться.
Ошибка: называть любое нагревание теплопередачей. Тело нагревается и при трении или сжатии, поэтому легко принять видимый результат за причину. Проверка: спросите, была ли разность температур и передавалась ли энергия от другого тела, или над телом совершали работу.
Ошибка: утверждать, что при теплопередаче энергия всегда идёт от горячего тела к холодному без учёта условий. В действительности направление определяет разность температур: самопроизвольный перенос идёт от более нагретого тела к менее нагретому. Проверка: сравните температуры тел до обмена и укажите, какое из них отдаёт энергию.
Ошибка: считать изменение внутренней энергии и изменение температуры одним и тем же. Это кажется естественным, потому что при нагревании температура обычно растёт. Но при плавлении энергия может расходоваться на изменение состояния вещества, и температура не меняется. Проверка: учитывайте не только движение частиц, но и изменение их взаимодействия и расположения.
Чтобы понять внутреннюю энергию, нужно знать, что вещество состоит из частиц, которые движутся и взаимодействуют, а также понимать, что показывает температура. Эти представления понадобятся при изучении количества теплоты, удельной теплоёмкости и теплового баланса: там сравнивают энергию, полученную и отданную телами. Способы изменения внутренней энергии помогают объяснить работу тепловых машин, двигателей и бытовых нагревательных устройств. В таких устройствах энергия может передаваться и за счёт теплопередачи, и при совершении работы.
Можно ли изменить внутреннюю энергию тела без его нагревания?
Да. Например, при сжатии газа работа над ним может увеличить его внутреннюю энергию, даже если тепло ему не передают. Температура при этом может измениться, но энергия изменилась не из-за теплопередачи.
Почему при трении тело нагревается, хотя тепло ему не передают?
При трении сила действует на тело и совершает над ним работу. Часть переданной энергии увеличивает движение частиц, поэтому тело нагревается.
Чем теплопередача отличается от совершения работы?
При теплопередаче энергия переходит между телами из-за разности температур. При совершении работы энергия меняется из-за действия сил, например при сжатии или трении.
Может ли внутренняя энергия уменьшаться?
Да. Тело может отдать энергию более холодным телам или окружающей среде. Также внутренняя энергия может уменьшаться, когда само тело совершает работу.
Почему температура тела не всегда изменяется вместе с его внутренней энергией?
Температура показывает, насколько интенсивно движутся частицы, но внутренняя энергия включает также их взаимодействие. Во время плавления, например, энергия идёт на изменение расположения частиц, и температура может оставаться постоянной.
2. Способы изменения внутренней энергии
