Внутренняя энергия

С понятием энергия мы столкнулись еще в 7 классе. Давайте вспомним определение этого понятия.

Определение.Энергия – физическая величина, которая характеризует способность тела или системы тел выполнить определенную работу.

Само понятие работа является знакомым и привычным из повседневной жизни. Она делится на множество видов, мы же пока изучили только понятие механической работы. Если вспомнить, то механическая работа – это величина, с помощью которой возможно описывать процессы перемещения тела при приложении определенной силы. Например, можно оценить работу, которую необходимо выполнить, чтобы перевезти тяжелый груз с одного места на другое (см. Рис. 1). Так вот, именно способность тела к выполнению механической работы характеризуется механической энергией тела.

Виды механической энергии

Определение.Кинетическая энергия – часть механической энергии, которая определяет движение тела.

Определение.Потенциальная энергия – энергия, которую имеют тела или части одного тела из-за того, что взаимодействуют с другими телами (или частями тел).

Обозначения в приведенных формулах:

 – масса тела, кг,

 – скорость движения тела, м/с,

 – ускорение свободного падения, Н/кг (м/с²),

 – высота тела над поверхностью, м,

 – жесткость пружины, Н/м,

 – растяжение пружины, м.

Взаимные превращения механической энергии

Кроме упомянутых понятий следует вспомнить и то, что два типа механической энергии могут превращаться (переходить) друг в друга, например, при падении тела (см. Рис. 2). Рассмотрим свободно падающий шарик. Очевидно, что при падении его высота над поверхностью уменьшается, а скорость увеличивается, это означает, что уменьшается его потенциальная энергия, а кинетическая увеличивается. Следует понимать, что эти два процесса не происходят отдельно, они взаимосвязаны, и говорят, что потенциальная энергия переходит в кинетическую.

Рис. 2.

Представлять себе процессы превращения механических энергий при падении тела удобно следующим образом: сумму всех энергий (полную механическую энергию) представить как полное ведро воды с надписью «потенциальная энергия», из которого начинают переливать воду в ведро с надписью «кинетическая энергия». Получается, что ведро «с потенциальной энергией» мельчает, а «с кинетической» наполняется, общий объем воды при этом не меняется – этим уже поясняется закон сохранения механической энергии.

Из приведенного примера становится ясно, что в мгновение непосредственно перед падением тела на поверхность (высота равна нулю) вся потенциальная энергия переходит в кинетическую (одно ведро перелито в другое). Возникает вопрос, что же происходит с кинетической энергией тела после удара о поверхность, ведь тело останавливается, и его высота над поверхностью становится равной нулю. Куда же перешла вся энергия? Она преобразуется в новый для нас тип энергии, о котором мы поговорим позже.

Можно рассмотреть и другой пример превращения энергии: колебания груза на пружине (см. Рис. 3). В данном случае наблюдается похожая ситуация – превращение потенциальной энергии в кинетическую, и наоборот. Этот случай отличается от процесса падения тела тем, что в нижней точке колебания груза пружина сжимается обратно, тем самым позволяя происходить превращениям энергий периодично из потенциальной в кинетическую, снова в потенциальную и т. д., пока не прекратятся колебания. Если разобраться подробнее, то в данном процессе превращения энергий происходят сложнее, например, при движении груза с нижней точки деформированной пружины происходит переход потенциальной энергии пружины в потенциальную энергию груза (он поднимается) и его кинетическую энергию (он разгоняется). Т. е. на этом примере мы видим, что в превращениях могут участвовать сразу несколько видов энергий, которые могут относиться к разным телам (пружина и груз).

Рис. 3.

Введение понятия внутренняя энергия тела

Вернемся к вопросу о том, во что превращается кинетическая энергия тела сразу после падения на поверхность. Она превращается во внутреннюю энергию, что и является основным объектом изучения данного урока.

Чтобы понять, что такое внутренняя энергия, следует обратить внимание на микромир частиц вещества (атомы и молекулы) и вспомнить, что они находятся в непрерывном движении, это уже подсказывает о наличии у них кинетической энергии, кроме того, частицы взаимодействуют друг с другом, что приводит к возникновению у них потенциальной энергии.

Определение.Кинетическая энергия движения частиц и потенциальная энергия их взаимодействия составляют внутреннюю энергию тела. Внутреннюю энергию обозначают  и измеряется она, как и все другие виды энергии, в Дж (джоулях).

Следовательно, имеем формулу для внутренней энергии тела: . Где под  понимается кинетическая энергия частиц тела, а под  – их потенциальная энергия.

Вспомним предыдущий урок, на нем мы говорили о том, что движение частиц тела характеризует его температура, с другой стороны, внутренняя энергия тела связана с характером (активностью) движения частиц. Следовательно, внутренняя энергия и температура – взаимосвязанные понятия. При повышении температуры тела его внутренняя энергия тоже повышается, при понижении – уменьшается.

Связь между внутренней энергией тела и температурой

Следует особое внимание обратить на то, что внутренняя энергия тела не зависит от потенциальной и кинетической энергии самого тела, а только от потенциальной и кинетической энергии его частиц. Эти понятия важно не путать.

Взаимосвязь внутренней энергии с различными типами процессов

Взаимосвязь между внутренней энергией и различными видами процессов можно изобразить на схеме:

Если сравнивать внутреннюю энергию с другими видами энергий, то она как понятие существует отдельно и имеет особое свойство: любое тело при любых условиях всегда имеет некий запас внутренней энергии.

На следующем уроке мы поговорим о том, какие существуют способы изменения внутренней энергии, и познакомимся с понятием теплообмен.