Внутренняя энергия

Научиться понимать, что такое внутренняя энергия, от чего она зависит и какими способами её можно изменить.

Понимание внутренней энергии помогает объяснить, почему нагреваются тела при трении, как работают тепловые двигатели, почему пища даёт нам энергию и как устроены все тепловые процессы вокруг нас.

• Внутренняя энергия тела складывается из кинетической энергии движения всех его молекул и потенциальной энергии их взаимодействия.
• Внутренняя энергия не зависит от механического движения тела или его положения относительно других тел.
• Внутреннюю энергию можно изменить двумя способами: совершением работы и теплопередачей.
• При нагревании тела его внутренняя энергия увеличивается, при охлаждении — уменьшается.
• Изменение внутренней энергии при теплопередаче характеризуется количеством теплоты.
• Внутренняя энергия — это функция состояния системы: она определяется только текущим состоянием тела (температурой, массой, агрегатным состоянием), а не тем, как это состояние было достигнуто.

Внутренняя энергия

Энергия движения и взаимодействия частиц (молекул, атомов), из которых состоит тело.

Тепловое движение

Беспорядочное (хаотическое) движение частиц, из которых состоит тело. Чем выше температура, тем быстрее движутся частицы.

Кинетическая энергия частиц

Энергия движения частиц. Зависит от их массы и скорости.

Потенциальная энергия взаимодействия частиц

Энергия, обусловленная взаимным притяжением или отталкиванием частиц. Зависит от расстояния между ними.

Теплопередача

Процесс изменения внутренней энергии без совершения работы, при котором энергия передаётся от более нагретых тел к менее нагретым.

Работа

Способ изменения внутренней энергии, при котором энергия передаётся при перемещении тела под действием силы (например, при трении или сжатии).

• Внутренняя энергия обозначается буквой U и измеряется в джоулях (Дж).
• Внутренняя энергия зависит от температуры тела: чем выше температура, тем больше кинетическая энергия частиц, а значит, и внутренняя энергия.
• Внутренняя энергия зависит от агрегатного состояния вещества: при плавлении или кипении энергия увеличивается, даже если температура не меняется.
• Внутренняя энергия не зависит от механического движения тела: летящий мяч и лежащий на земле мяч при одинаковой температуре имеют одинаковую внутреннюю энергию (если их массы равны).
• При совершении работы над телом (например, при сжатии газа) его внутренняя энергия увеличивается; при совершении работы самим телом (например, при расширении газа) — уменьшается.
• Теплопередача всегда идёт от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой.

1. Пример 1случай

   Если быстро накачать велосипедную шину, насос становится тёплым

   Пояснение

   • это происходит потому, что при сжатии воздуха совершается работа, и его внутренняя энергия увеличивается
2. Пример 2случай
   • Горячий чай в термосе остывает медленно, потому что теплопередача через стенки термоса затруднена — внутренняя энергия чая передаётся окружающей среде
3. Пример 3случай

   Лёд, тая в стакане с водой, получает энергию от воды

   Пояснение

   • внутренняя энергия воды уменьшается, а льда увеличивается, поэтому вода охлаждается
4. Пример 4случай

   Если ударить молотком по свинцовой пластине, она нагреется

   Пояснение

   • механическая энергия молотка превращается во внутреннюю энергию пластины

• При сжатии воздуха в насосе он нагревается — это пример увеличения внутренней энергии за счёт совершения работы.
• Внутренняя энергия огромна: в 1 литре воды при комнатной температуре содержится около 10^23 Дж энергии, что эквивалентно взрыву нескольких тонн тротила.
• Когда вы трёте ладони, они нагреваются — это тоже увеличение внутренней энергии за счёт работы трения.

• Не прикасайся к нагретым телам без защиты — при теплопередаче можно получить ожог.
• При работе с насосом или сжатыми газами помни, что они нагреваются — дай им остыть перед разборкой.

• Тепловое движение. Температура
• Способы изменения внутренней энергии
• Теплопроводность, конвекция, излучение
• Количество теплоты. Удельная теплоёмкость
• Плавление и кристаллизация