Как известно, если положить один конец железного прута на огонь, то его нельзя долго держать в руке. При достижении высокой температуры атомы железа вибрируют сильнее (т.е. приобретают дополнительную кинетическую энергию) и сильнее ударяют своих соседей.
Внутренняя энергия в физике — виды, формулы и определения с примерами
Они знают, что движущееся тело обладает кинетической энергией. А если она еще и взаимодействует с другим телом, то обладает потенциальной энергией. Оба вида энергии являются механической энергией. Они преобразуются друг в друга: кинетическая энергия может быть преобразована в потенциальную и наоборот. Вы также знаете, что каждое тело имеет определенную структуру, т.е. состоит из частиц (атомов, молекул). Частицы находятся в постоянном хаотическом движении. Частицы жидкостей и твердых тел взаимодействуют друг с другом. Следовательно, частицы обладают кинетической энергией, а частицы жидкостей и твердых тел также обладают динамической энергией. Сумма кинетической и динамической энергии всех частиц в теле называется внутренней энергией. Внутренняя энергия измеряется в джоулях. В чем разница между внутренней энергией и механической энергией? Каковы его особенности? Можно ли преобразовать механическую энергию во внутреннюю?
Чтобы ответить на эти вопросы, давайте рассмотрим пример. Шайба, движущаяся горизонтально по льду (рис. 1), остановилась. Как изменяется его механическая энергия по отношению ко льду?
Кинетическая энергия шайбы равна нулю. Положение шайбы надо льдом не изменилось и не деформировалось. Поэтому изменение динамической энергии равно нулю. Означает ли это, что механическая (кинетическая) энергия бесследно исчезла? Нет, механическая энергия шайбы была преобразована во внутреннюю энергию шайбы и льда.
Может ли внутренняя энергия тела, как механическая энергия, быть нулевой? Движение частиц, из которых состоит тело, не останавливается даже при самых низких температурах. Поэтому тело всегда (подчеркиваем: всегда) имеет определенный запас внутренней энергии. Она может либо увеличиваться, либо уменьшаться — вот и все!
Велика ли величина внутренней энергии тела? Энергия частицы, например, кинетическая энергия, чрезвычайно мала из-за ее небольшой массы. Расчеты средней трансляционной энергии молекулы кислорода показывают, что при комнатной температуре.
Основные выводы:
- Независимо от того, есть у тела механическая энергия или нет, оно обладает внутренней энергией.
- Внутренняя энергия тела равна сумме кинетической и потенциальной энергий частиц, из которых оно состоит.
- Внутренняя энергия тела всегда не равна нулю.
Способы изменения внутренней энергии
Чтобы изменить механическую энергию тела, необходимо изменить скорость его движения, его взаимодействие с другими телами или взаимодействие частей тела. Вы уже знаете, что это достигается путем выполнения работы.
Как можно изменить (увеличить или уменьшить) внутреннюю энергию тела? Давайте мыслить логически. D
Через некоторое время уровень жидкости в правом коллекторе манометра падает (см. рис. 5), т.е. давление воздуха в поршне увеличивается. Это указывает на то, что воздух нагревается. Это означает, что скорость и кинетическая энергия молекул, а значит, и внутренняя энергия увеличились. Но за счет чего? Очевидно, за счет производства механической работы за счет трения ткани о поршень. Поршень нагревается, и газ нагревается от него.
Давайте проведем еще один эксперимент. Налейте немного воды в толстостенный стеклянный сосуд (чайную ложку, чтобы увлажнить воздух внутри). С помощью насоса закачайте воздух в емкость (рис. 6). После нескольких ударов пробка вылетает, и в банке образуется туман. Из наблюдений за окружающей средой мы знаем, что туман образуется, когда жаркий день сменяется холодной ночью. Образование тумана в контейнере свидетельствует об охлаждении воздуха, т.е. о снижении его внутренней энергии. Но почему энергия уменьшается? Потому что работа по извлечению пробки из контейнера была за его счет.
Давайте теперь сравним результаты экспериментов. В обоих случаях внутренняя энергия газа изменилась, но в первом эксперименте она увеличилась, потому что работа была совершена внешней силой (через бутылку с газом), а во втором эксперименте она уменьшилась, потому что работа была совершена силой сжатия самого газа.
Можно ли изменить потенциальную энергию взаимодействия молекул за счет работы?
Давайте посмотрим на эксперимент еще раз. Потрите вместе два кусочка льда при температуре 0 °C (рис. 7).
Лед превращается в воду, а температура воды и льда остается постоянной O °C (см. рис. 7). Какую механическую работу совершает сила трения?
Изменение внутренней энергии, конечно!
Однако кинетическая энергия молекул не изменилась, потому что температура не изменилась. Лед превратился в воду. Это изменило силы взаимодействия молекул.
Выполнение механической работы — это один из способов изменения внутренней энергии тела.
Внутренняя энергия макроскопического тела определяется характером движения и взаимодействия всех микрочастиц, составляющих это тело (систему тел). Поэтому необходимо ссылаться на внутреннюю энергию:
Однако для описания тепловых процессов так важно не значение внутренней энергии, а ее изменение. При тепловых процессах химическая, внутриатомная и внутриядерная энергии остаются практически неизменными. Поэтому в термодинамике внутренняя энергия определяется как сумма кинетических энергий хаотического (теплового) движения частиц вещества (атомов, молекул, ионов), образующих тело, и динамической энергии их взаимодействия.
Внутренняя энергия и ее особенности
Внутренняя энергия обозначается символом U.
- кинетическую энергию хаотического (теплового) движения частиц вещества (атомов, молекул, ионов);
- потенциальную энергию взаимодействия частиц вещества;
- энергию взаимодействия атомов в молекулах (химическую энергию);
- энергию взаимодействия электронов и ядра в атоме и энергию взаимодействия нуклонов в ядре (внутриатомную и внутриядерную энергии).
Единицей внутренней энергии в СИ является джоуль.
Специфика уравнения.
Количество тепла Q — это физическая величина, соответствующая энергии, которую тело поглощает (или отдает) при теплопередаче.
Если в лабораторную колбу налить немного воды, закрыть ее пробкой и поставить на плиту для нагревания, то через некоторое время пробка лопнет под давлением пара, образующегося при кипении воды. То есть для того, чтобы вытолкнуть (сдвинуть) пробку, совершается работа, даже если весь объем пара (в целом) находится в состоянии покоя. Ток преобразовывался в тепло, которое доводило воду до кипения, а образовавшийся пар (газообразное состояние воды) выталкивал пробку наружу. Для выполнения работы потребовалась внутренняя энергия пара.
- Атомы и молекулы идеального газа практически не взаимодействуют друг с другом, поэтому внутренняя энергия идеального газа равна кинетической энергии поступательного и вращательного движений его частиц.
- Внутренняя энергия данной массы идеального газа прямо пропорциональна его абсолютной температуре. Докажем данное утверждение для одноатомного газа. Атомы такого газа движутся только поступательно, поэтому, чтобы определить его внутреннюю энергию, следует среднюю кинетическую энергию поступательного движения атомов умножить на количество атомов: Итак, для одноатомного идеального газа:, выражение для внутренней энергии идеального одноатомного газа можно представить так:
- Внутренняя энергия — функция состояния системы, то есть она однозначно определяется основными макроскопическими параметрами (p, V, T), характеризующими систему. Независимо от того, каким образом система переведена из одного состояния в другое, изменение внутренней энергии будет одинаковым.
- Внутреннюю энергию можно изменить двумя способами: совершением работы и теплопередачей.
Какие существуют виды теплопередачи
Все физические объекты (твердые тела, жидкости и газы) состоят из атомов и молекул, которые постоянно находятся в движении. В газах атомы и молекулы хаотично перемещаются по объему. В жидкостях длина пути намного короче, а в твердых телах молекулы колеблются в узлах кристаллической решетки. С повышением температуры скорость частиц увеличивается, т.е. увеличивается их кинетическая энергия, которая равна
— кинетическая энергия,
Как определить количество теплоты
Все частицы взаимодействуют друг с другом (притягиваются и отталкиваются) и поэтому обладают потенциальной энергией E
Примеры внутренней энергии
Сумма этих двух энергий является внутренней энергией системы, которая обозначается U:
Откуда берется эта энергия?
Скорости молекул в газах в значительной степени зависят от массы молекул и температуры. При комнатной температуре, например, средняя скорость молекул водорода составляет 1930 м/с, а кислорода — 480 м/с. Масса молекул водорода очень велика в массе молекул, а средняя скорость молекул кислорода составляет 480 м/с.
EkВнутренняя энергия тела может изменяться под воздействием внешней среды либо путем поглощения или выделения тепла Q, либо путем совершения работы A. Первый закон термодинамики содержит формулу для определения U:
Произведенную работу и поглощенное (или отданное) тепло можно измерить и таким образом определить изменение внутренней энергии.п.
Как измерить внутреннюю энергию?
