Внутренняя энергия
Если в закрытую пробкой толстостенную банку, дно которой покрыто водой, накачивать, то через какое-то время пробка из банки вылетит и в банке образуется туман. Пробка вылетела из банки, потому что находившийся там воздух действовал на неё с определённой силой. Воздух при вылете пробки совершил работу. Известно, что работу тело может совершить, если оно обладает энергией. Следовательно, воздух в банке обладает энергией.
При совершении воздухом работы понизилась его температура, изменилось его состояние. При этом механическая энергия воздуха не изменилась: не изменились ни его скорость, ни его положение относительно Земли. Следовательно, работа была совершена не за счёт механической, а за счёт другой энергии. Эта энергия — внутренняя энергия воздуха, находящегося в банке.
Внутренняя энергия тела – это сумма кинетической энергии движения его молекул и потенциальной энергии их взаимодействия. Кинетической энергией (Ек) молекулы обладают, так как они находятся в движении, а потенциальной энергией (Еп), поскольку они взаимодействуют.
Внутреннюю энергию обозначают буквой U.
Единицей внутренней энергии является 1 джоуль (1 Дж).
U = Eк + En.
Способы изменения внутренней энергии
Чем больше скорости движения молекул, тем выше температура тела, следовательно, внутренняя энергия зависит от температуры тела. Чтобы перевести вещество из твёрдого состояния в жидкое состояние, например, превратить лёд в воду, нужно подвести к нему энергию.
Следовательно, вода будет обладать большей внутренней энергией, чем лёд той же массы, и, следовательно, внутренняя энергия зависит от агрегатного состояния тела.
Внутреннюю энергию можно изменить при совершении работы. Если по куску свинца несколько раз ударить молотком, то даже на ощупь можно определить, что кусок свинца нагреется. Следовательно, его внутренняя энергия, так же как и внутренняя энергия молотка, увеличилась. Это произошло потому, что была совершена работа над куском свинца.
Если тело само совершает работу, то его внутренняя энергия уменьшается, а если над ним совершают работу, то его внутренняя энергия увеличивается.
Если в стакан с холодной водой налить горячую воду, то температура горячей воды понизится, а холодной воды — повысится. В рассмотренном примере механическая работа не совершается, внутренняя энергия тел изменяется путём теплопередачи, о чем и свидетельствует понижение её температуры.
Молекулы горячей воды обладают большей кинетической энергией, чем молекулы холодной воды. Эту энергию молекулы горячей воды передают молекулам холодной воды при столкновениях, и кинетическая энергия молекул холодной воды увеличивается. Кинетическая энергия молекул горячей воды при этом уменьшается.
Теплопередача – это способ изменения внутренней энергии тела при передаче энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому без совершения работы.
Рассчитать внутреннюю энергию можно только для идеального газа. Давайте с вами определим внутреннюю энергию идеального одноатомного газа, то есть газа, состоящего из отдельных атомов (к такому газу относятся инертные газы — гелий, неон, аргон и так далее).
Итак, согласно модели идеального газа, его молекулы не взаимодействуют друг с другом. Поэтому внутренней энергией такого газа является сумма кинетических энергий хаотического движения всех его молекул или атомов. Следовательно, внутренняя энергия идеального одноатомного газа равна произведению средней кинетической энергии теплового движения молекул на их число:
Число молекул в данной порции газа мы можем легко выразить из определения количества вещества:
А значение средней кинетической энергии поступательного движения молекул мы распишем через постоянную Больцмана и абсолютную температуру:
Перепишем формулу для внутренней энергии с учётом последних двух формул:
Теперь давайте с вами вспомним, что произведение постоянной Больцмана и числа Авогадро — это есть универсальная газовая постоянная R. Тогда получаем, что внутренняя энергия идеального одноатомного газа прямо пропорциональна его абсолютной температуре и не зависит от других макроскопических параметров системы:
Для примера давайте с вами определим внутреннюю энергию неона массой 5 г, находящегося при температуре 27 оС.
Как правило, значение внутренней энергии в большинстве случаев вычислить очень трудно, поскольку каждое тело состоит из огромного числа частиц. Однако нас чаще будет интересовать не само значение внутренней энергии, а её изменение, которое происходит при переходе системы из одного состояния в другое.
Задача 2
