Внутренняя энергия тела
При рассмотрении механических явлений кинетическая и потенциальная энергия тел не зависят от их атомарно-молекулярного строения. Величина механической энергии зависит только от скорости тела (кинетическая энергия), как цельного объекта, и расположения тела относительно других тел (потенциальная энергия). В молекулярно-кинетической теории тело рассматривается как система из составляющих его частиц; для объяснения многих явлений, связанных с процессами теплообмена (нагрев и охлаждение) и ряда других эффектов, было введено понятие внутренней энергии тела.
Определение внутренней энергии тела
В результате многочисленных наблюдений и экспериментов ученые к началу ХIХ века пришли к пониманию молекулярного устройства всех тел и веществ в различных агрегатных состояниях. Стало понятно, что мельчайшими частицами являются атомы, из которых как из “кирпичиков” состоят молекулы. При ненулевой абсолютной температуре молекулы и атомы находятся в состоянии постоянного хаотического движения. Каждая движущаяся частица имеет кинетическую энергию, сумма которых будет кинетической составляющей Ek внутренней энергии. Между молекулами существует также взаимодействие, обусловленное силами электрического притяжения и отталкивания, зависящими от взаимного расположения частиц. Значит вся совокупность частиц данного тела обладает определенной величиной потенциальной энергии Eп.
Согласно молекулярно-кинетической теории внутренняя энергия U — это сумма потенциальной энергии взаимодействия молекул Eп, составляющих тело, и кинетической энергии их хаотического теплового движения Ek:
$ U = { Ek + Eп } $ (1).
Необходимость введения понятия о внутренней энергии обосновал в 1851 г. английский физик У. Кельвин. Данное им определение сохранилось до сих пор, но для названия он использовал старое словосочетание — “механическая энергия”. Название “внутренняя энергия” (от англ. — internal energy) ввел англичанин У. Ренкин.
Величина внутренней энергии
Внутренняя энергия тела изменяется под воздействием внешней среды, получая или отдавая тепло Q, либо совершая работу А.
$ ΔU ={ Q — A } $ (2).
Величина совершенной работы и полученное (или отданное) тепло поддаются измерению, а значит можно определить изменение внутренней энергии ΔU. Знак минус перед величиной работы означает, что работу совершило тело за счет своей внутренней энергии. Например, это может быть работа горячего пара, приводящего в механическое движение поршень. Если наоборот — над телом была совершена работа внешних сил, то в формуле (2) перед A будет знак плюс. Например, при забивании гвоздя молотком происходит его нагрев, то есть внутренняя энергия увеличивается.
Заметим, что из определения понятия внутренней энергии и формулы (2) следует, что измерить возможно только изменение этой величины (“дельту”), а не ее абсолютную величину.
Способы изменения внутренней энергии
Все способы изменения внутренней энергии тела могут быть отнесены либо к совершенным с помощью работы, либо к процессам теплопередачи (теплопереноса):
- Внутренняя энергия тела U увеличивается, если над ним совершается работа A. Если само тело совершает работу, то его внутренняя энергия будет уменьшаться;
- Тепло Q может быть передано телу с помощью одного (или нескольких) механизмов теплопередачи (теплопроводности, конвекции, излучения) :
- Механизм теплопроводности связан с передачей тепла от более нагретого тела к менее нагретому. Например, когда в горячий чай погружается холодная металлическая ложка, то очень быстро она нагреется за счет этого механизма, суть которого заключается в передаче энергии “горячих” молекул чая молекулам металлической ложки;
- Конвекция представляет собой перенос внутренней энергии в газах и жидкостях в результате циркуляции потоков вещества и последующего перемешивания. Простым примером для понимания этого механизма служит нагрев воздуха в квартирах от батарей центрального отопления. Нагретый вблизи батареи воздух начинает подниматься вверх (“всплывать”). Его место занимает холодный (более тяжелый) воздух. Таким образом, с помощью перемешивания этих потоков, происходит общий нагрев воздуха в квартире.
- Передача тепла с помощью излучения происходит в виде электромагнитных волн. Этот механизм включает в себя три стадии: сначала часть внутренней энергии тела преобразуется в энергию электромагнитных волн, далее следует их распространение в пространстве, которое заканчивается поглощением другим телом, в результате чего происходит изменение внутренней энергии обоих тел.
Кроме кинетической и потенциальной энергии частиц вклад во внутреннюю энергию могут давать еще:
- Химическая энергия, являющаяся результатом химических реакций между молекулами разных веществ. Примером реакции с выделением тепла Q (экзотермическая реакция) может служить реакция горения фосфора в кислороде:
$ 4P + 5O2 = 2P2O5 + Q $ (3);
- Энергия электронов, вращающихся вокруг ядер в атомах;
- Ядерная энергия.
Таким образом, в зависимости от различных условий, в которых находится вещество, те или иные энергетические источники будут давать определяющий вклад в изменение внутренней энергий. То есть внутренняя энергия — это не отдельный (специфический) вид энергии, а некоторый набор из составных частей (видов) полной энергии системы.
Что мы узнали?
Итак, мы узнали, что внутренняя энергия тела — это сумма потенциальной энергии взаимодействия молекул, составляющих тело, и кинетической энергии их хаотического теплового движения. При определенных условиях внутренняя энергия может изменяться за счет химической и ядерной энергий. Внутренняя энергия тела изменяется под воздействием внешней средой, получая или отдавая тепло Q, либо совершая работу А. Тепло Q может быть передано телу с помощью следующих механизмов теплопередачи: теплопроводности, конвекции и излучения.
Тест по теме
- /5Вопрос 1 из 5
Величина внутренней энергия тела U зависит от кинетической Ek и потенциальной Eп энергий в соответствии со следующей формулой?
