Внутренняя энергия
Внутренняя энергия — это энергия движения и взаимодействия частиц, из которых состоит тело. Она изменяется при теплопередаче и при совершении работы; эти способы важно различать при решении заданий ОГЭ.
Что такое внутренняя энергия
Любое вещество состоит из частиц: атомов, молекул или ионов. Частицы непрерывно и хаотически движутся, поэтому обладают кинетической энергией. Кроме того, частицы взаимодействуют друг с другом: притягиваются на сравнительно больших расстояниях и отталкиваются на малых. Энергия этого взаимодействия называется потенциальной.
Внутренняя энергия тела \(U\) — это сумма кинетической энергии хаотического движения всех его частиц и потенциальной энергии их взаимодействия.
Внутренняя энергия не включает механическую энергию движения тела как целого и его потенциальную энергию в поле тяжести. Например, летящий мяч имеет кинетическую энергию движения, но его внутренняя энергия связана с движением и взаимодействием молекул мяча.
Температура характеризует среднюю кинетическую энергию хаотического движения частиц: при повышении температуры частицы в среднем движутся быстрее. Поэтому внутренняя энергия тела обычно увеличивается при нагревании. Подробнее связь температуры с движением частиц рассмотрена на странице строение вещества, а измерение температуры — на странице температура.
От чего зависит внутренняя энергия
Внутренняя энергия зависит от температуры, массы и рода вещества, а для некоторых состояний — также от объёма. У большей массы одного и того же вещества больше частиц, поэтому при одинаковой температуре её внутренняя энергия больше. При нагревании внутренняя энергия увеличивается, при охлаждении — уменьшается.
Для газа изменение объёма может сопровождаться изменением энергии взаимодействия частиц. В идеализированном одноатомном газе обычно учитывают главным образом кинетическую энергию частиц. В жидкостях и твёрдых телах заметную роль играет также потенциальная энергия взаимодействия.
Если тела сделаны из одного вещества и находятся при одинаковой температуре, то тело с большей массой обычно имеет большую внутреннюю энергию. При одинаковой массе нагретое тело имеет большую внутреннюю энергию, чем холодное.
Как изменить внутреннюю энергию
Изменить внутреннюю энергию можно двумя способами: передать телу энергию в процессе теплопередачи или совершить над телом работу. Эти способы могут действовать одновременно.
- Теплопередача — изменение внутренней энергии без совершения механической работы над телом или самим телом.
- Совершение работы — изменение внутренней энергии при действии сил и перемещении тела, его частей или границы газа.
Теплопередача происходит при непосредственном контакте тел или переносе энергии из одной области в другую. Основные виды теплопередачи — теплопроводность, конвекция и излучение; они разобраны на странице способы теплопередачи. Процесс передачи энергии между телами называют теплообменом.
Как изменяется внутренняя энергия стальной ложки, если её нагревают в горячей воде, не перемещая механически?
Изменение внутренней энергии теплопередачей
Если более горячее тело соприкасается с более холодным, энергия самопроизвольно передаётся от горячего тела к холодному. При этом температура горячего тела обычно уменьшается, а холодного увеличивается. В изолированной системе после окончания теплообмена температуры тел выравниваются.
Количество энергии, переданной при нагревании или охлаждении, называют количеством теплоты и обозначают \(Q\). В школьных задачах его вычисляют по формуле, если масса, удельная теплоёмкость и изменение температуры известны. Полный разбор этой величины приведён на странице количество теплоты.
Здесь \(c\) — удельная теплоёмкость вещества, \(m\) — масса, \(t_1\) и \(t_2\) — начальная и конечная температуры. Если тело охлаждается, то \(t_2-t_1<0\) при алгебраическом соглашении, а выделившееся количество теплоты по модулю равно \(cm(t_1-t_2)\).
Изменение внутренней энергии работой
Внутренняя энергия газа изменяется, когда газ расширяется или сжимается. При сжатии внешние силы совершают работу над газом: частицы получают энергию, и газ нагревается. При быстром расширении газ совершает работу над окружающими телами и теряет часть внутренней энергии, поэтому охлаждается.
Простой пример — насос для велосипеда. Если быстро сжимать воздух, насос и воздух внутри нагреваются. Если выпустить сжатый газ, он расширится и охладится. Подробно работа газа рассматривается на странице работа газа.
При сжатии газа внешние силы передают энергию газу, поэтому его внутренняя энергия обычно увеличивается. При расширении газ передаёт энергию окружающим телам, поэтому его внутренняя энергия может уменьшаться.
Разобранный пример
В алюминиевой кастрюле находится вода массой \(m=2\) кг. Вода нагрелась от \(20^\circ\text{C}\) до \(80^\circ\text{C}\). Как изменилась её внутренняя энергия, если потерями энергии пренебречь? Примите \(c=4200\ \text{Дж}/(\text{кг}\cdot^\circ\text{C})\).
Ответ: внутренняя энергия воды увеличилась на \(504000\) Дж, или \(504\) кДж. Если учитывать нагревание кастрюли и потери в окружающую среду, нужно составлять более полный энергетический баланс.
Как рассуждать в задачах
- Определите, какое тело рассматривается и что происходит с его температурой, объёмом или состоянием.
- Установите способ изменения внутренней энергии: теплопередача, работа или оба способа.
- Выберите формулу и приведите все величины к согласованным единицам СИ.
- Проверьте знак и смысл ответа: при нагревании энергия обычно увеличивается, при охлаждении — уменьшается.
Не путайте внутреннюю энергию с механической энергией тела как целого. Нельзя утверждать, что внутренняя энергия изменяется только при изменении температуры: при сжатии или расширении газа она может измениться и без заметного теплообмена. Также не смешивайте количество теплоты \(Q\) с температурой \(t\): температура показывает состояние тела, а количество теплоты — переданную энергию в процессе.
В более общем виде связь между изменением внутренней энергии, полученной теплотой и работой изучается в теме первый закон термодинамики. Здесь достаточно понимать энергетический смысл: энергия не исчезает, а переходит от одного тела к другому или преобразуется.
Быстрая проверка
Проверьте себя
Главное
- Внутренняя энергия — сумма кинетической энергии движения частиц и потенциальной энергии их взаимодействия.
- Она зависит от температуры, массы и рода вещества, а в некоторых случаях — от объёма.
- Изменить внутреннюю энергию можно теплопередачей и совершением работы.
- При нагревании внутренняя энергия обычно увеличивается, при охлаждении — уменьшается.
- При сжатии газ обычно нагревается, а при расширении может охлаждаться.
- В задачах важно отличать внутреннюю энергию от механической энергии движения тела как целого.