Внутренняя энергия вещества

Видео: Физика [8 класс]

Чтобы ответить на вопрос, что такое внутренняя энергия, давайте вспомним пример, который приводил школьный преподаватель, поясняя смысл кинетической и потенциальной энергий. Если говорить простым языком, то первая из них – это энергия перемещения, которой обладает любое движущееся тело, а вторая – нереализованная способность выполнить какую-либо работу. Причем обе эти энергии способны «перетекать» одна в другую.

Видео: Упражнение №16(3) § 20. Удельная теплота парообразования... - Физика 8 класс (Перышкин)

Давайте воспользуемся примером. На пластичной поверхности (свинцовый лист) находится тяжелый металлический шар. Возьмем его и поднимем на высоту вытянутой руки. Пока он двигался к верхней точке, его кинетическая энергия уменьшалась, а потенциальная возрастала, достигнув своего максимума в момент остановки. Но вот мы отпускаем шар, и он под действием гравитации устремляется вниз. Что происходит в этот момент? Очень просто: потенциальная (накопленная) энергия преобразуется в ускоренное движение. Так происходит до тех пор, пока шар не упадет на поверхность и не остановится (именно поэтому в примере мы взяли пластичную основу). На первый взгляд может показаться, что энергия шара исчезла, однако это не так, так как внутренняя энергия увеличилась. Если внимательно осмотреть место падения, то там видна вмятина в металле, да и шар деформировался (особенно, если он также свинцовый). Кроме того, в месте соприкосновения выделилось тепло.

Что при этом происходит на молекулярном уровне в структуре металла? Молекулы, образующие материал, объединены друг с другом силами взаимного притяжения и отталкивания. Деформация вызывает смещение некоторых из них, в результате чего изменяется общая внутренняя энергия. Эти частицы незаметны глазу, но также обладают кинетической и потенциальной энергиями. Смещения во внутренней структуре из-за падения сообщает дополнительную энергию молекулам. Внутренняя энергия обусловлена взаимодействием частиц, поэтому существует всегда. Это одна из характеристик материи. Внутренняя энергия - это сумма потенциальной и кинетической, присущая всем молекулам и атомам данного тела.

Существует формула расчета. Важный момент – такой способ подходит лишь для расчета идеального газа. В нем потенциальная энергия

F = (I / 2) * (m / M) * T * R,

Видео: 5.10 Предмет термодинамики. Внутренняя энергия тела

где I – коэффициент степеней свободы. Здесь учитывается только количество молекул m и окружающая температура T. В реальных газовых средах дополнительно нужно предусматривать занимаемый объем, давление и структуру самих молекул.

Говоря о взаимном превращении видов энергии нельзя не указать Ю. Р. Майера. Будучи корабельным врачом, он обратил внимание на отличие интенсивности расцветки крови у матросов и жителей холодных стран. Впоследствии именно он указал на одно из главных свойств энергии – ее постоянство. Она никуда не исчезает, а только преобразуется в другие виды, при этом суммарное значение сохраняется неизменным.

Видео: Вопрос №2 § 15. Удельная теплота плавления - Физика 8 класс (Перышкин)

Внутренняя энергия воды также подчиняется общим законам. К примеру, морякам хорошо известно, что после прошедшей бури температура воды за бортом корабля всегда выше, чем до нее. Это произошло благодаря тому, что атмосферный фронт сообщил часть своей энергии массе воды, нагрев ее. Другой пример, с которым каждый человек сталкивается ежедневно – это кипячение. Достаточно поставить емкость с водой на плиту и включить газ, как внутренняя энергия жидкости начинает возрастать. Молекулы получают дополнительный импульс, скорость их движения возрастает. Соответственно, число взаимных соударений также становится больше. Но если убрать источник внешней температуры, то вода остынет не сразу. Это происходит из-за накопленной в движении частиц внутренней энергии. Кстати, процесс остывания также представляет собой проявление закона сохранения: окружающий воздух нагревается и расширяется, совершая работу.