Внутрішня енергія (ВЕ) являє собою суму кінетичної енергії (КЕ) всіх молекул, що складають тіло, і потенційної енергії, що пов’язана з їх взаємним впливом. Внутрішня енергія залежить від температури, тому що чим вона вища, тим швидше молекули рухаються і більша у них кінетична (КЕ) енергія. Температура є мірою кінетичної енергії молекул.
Внутрішня енергія тіла
Одиниця виміру температури в системі СІ є 1 К (Кельвін). Але для повсякденного виміру температури використовують іншу одиниці виміру – °C (градуси Цельсія). 0°C – це точка замерзання води, 0K – це так званий абсолютний нуль, мінімально можлива температура.
ВЕ тіла можна збільшити, виконуючи роботу над тілом або забезпечуючи його тепло. Тепло – це певна кількість руху, що передається між об’єктами. Тепло тече від тіла з високою температурою до тіла з низькою температурою.
Енергія може передаватися трьома способами:
- теплопровідність;
- випромінювання;
- конвекція.
Останній термін – це процес теплопередачі, пов’язаний з рухом речовини в газі або рідини, наприклад, підйом теплого повітря.
Приріст руху мікрочастинок тіла дорівнює сумі роботи, виконаної над тілом, і тепла, що подається до нього.
∆U = W + Q
Формула внутрішньої енергії – це сума всіх видів енергії молекул, з яких складається тіло. Вони мають тільки кінетичну енергію.
Принцип енергетичної еквівалентності говорить, що для кожного ступеня свободи враховується одна і та ж середня кінетична енергія, рівна QD/2, тому середню КЕ молекул можна розрахувати за формулою:
(Ek) = i кТ/2
В цій формулі є так звана кількість ступенів свободи, тобто кількість координат, які повинні бути вказані для визначення положення частинки в просторі. Для одноатомних молекул і = 3, двоатомних і = 5, інших (3 або більше атомних) і = 6.
Формулювання першого закону термодинаміки свідчить, що зміна внутрішньої енергії газу дорівнює сумі тепла, отриманої з навколишнтого середовища, і роботи, виконаної з ним.
∆U = Q + W
Тепло Q і W може мати негативний або позитивний знак. Q має, коли газ віддає тепло +, і він отримує тепло. Якщо позитивний знак, коли робота над газом здійснюється силою, зовнішній — об’єм газу зменшується, і негативний, коли газ працює (збільшується).
При переході ізотермічна внутрішня енергія не змінюється (оскільки температура не змінюється), тоді
Q + W = 0
Ізохоричне перетворення – це коли W = 0 (оскільки об’єм не змінюється), тоді
∆U = Q
Якщо Q = 0 (газ не обмінюється теплом з навколишнім середовищем), то цей перехід називається адіабатним переходом. Тоді формула має вигляд:
∆U = W
Чинник впливу
Наприклад, в результаті різкого зниження температури, пов’язаного з обміном енергії з навколишнім середовищем при розширенні, виникає течія внаслідок конденсації водяної пари.
Значення ВЕ цього тіла або системи важко встановити через його складну природу. Це легше визначити, коли більш істотні ізобарні зміни цієї енергії обумовлені різними явищами, такими як розширення газу під функцією тиску.
Як відомо, температура пов’язана з середньою кінетичною енергією молекул тіла. Однак, як два предмети відрізняються при однаковій температурі, але різній масі і, отже, різній кількості молекул, не зовсім зрозуміло. Очевидно, що сума енергії частинки буде більше в разі тіла з більшою масою.
З цього випливає, що сенс ВЕ залежить від трьох факторів:
- кількість атомів і молекул, що складають це тіло – чим більше молекул, тим вище сума компонентів;
- температура тіла – чим вище Т, тим більше середня КЕ частинок, загальна Е системи.
- Характер речовини і її стан ентальпія – поняття величини потенційної енергії, отриманої в результаті міжмолекулярного впливу, залежить від стану концентрації для різних речовин.
Ось приклади:
- При тій же заданій температурі води відро має більше внутрішньої енергії, ніж стакан води, оскільки у відрі міститься набагато більше молекул.
- Чашка гарячого чаю має більшу внутрішню енергію, ніж така ж кількість холодного чаю, тому що молекули гарячої рідини мають велику середню кінетичну енергію, і в обох склянках їх стільки ж.
- Стакан води при 0 ° С володіє більшою внутрішньою енергією, ніж шматок льоду, створений з нього при тій же температурі.
Приклади зміни внутрішньої енергії
Варто подумати про те, як можна змінити термодинамічну внутрішню енергію тіла.
Якщо людина потирає руки, то відчуває, що вони стають теплішими. Підвищення температури вказує на збільшення внутрішньої енергії.
Іншим досить поширеним явищем буде механічний нагрів тіл, відшліфованого пилкою або наждачним папером. Таку роботу можна легко виконати і побачити ефект вдома. Довге виконання цієї операції може навіть привести до опіків.
Поширеним явищем є нагрівання повітря, що міститься в автомобільних шинах. Шина деформується в точці зіткнення з землею, поворот колеса призводить до деформації його осколків, а також до стиснення повітря в ньому.
Можна спробувати (якщо у вас є доступ до відповідних інструментів) виконати дослід, де потрібно ударяти молотком по металевому стрижню, розташованому на твердій поверхні. Виявляється, ударна штанга нагрівається. Коваль може нагріти металевий стрижень до температури, при якій він починає світитися.
Наведені вище приклади доводять, що температура тіла може підвищуватися внаслідок виконання роботи на ньому. Підвищення температури свідчить про збільшення внутрішньої енергії. Збільшення показника може бути досягнуто не тільки при виконанні робіт. Можна опустити руки в теплу воду і також домогтися ефекту збільшення ве.
Механізм передачі внутрішньої енергії від теплої води до шкіри рук можна описати наступним чином:
- Температура води вище, ніж температура шкіри наших рук. Це означає, що молекули води мають високу середню кінетичну енергію.
- Прилеглі до шкіри молекули води стикаються з частинками шкіри. Під час цих зіткнень і молекули води, і частинки шкіри втрачають енергію.
- Внутрішня енергія переноситься з води на шкіру рук.
Цей метод передачі називається тепловим потоком, а частина внутрішньої енергії, яка була передана в описаному вище механізмі, називається теплом. Тепловий потік, який можливий тільки між тілами з різними температурами, завжди виходить від тіла з високими даними і припиняється після вирівнювання температури.
Тому, якщо кладуть руки в холодну воду, процес руху мікрочастинок відбувається у зворотному напрямку. Частинки шкіри, що володіють великою кінетичною енергією, при зіткненнях з молекулами води втрачають її, а молекули води отримують енергію, тобто вона передається від шкіри до води.
Неправильним є твердження, що цей холод тече з води в руки. Те, що тече, є частиною ВЕ, званої теплом. Це, якщо в описаній вище ситуації відчувається підвищення або зниження температури, залежить від напрямку, в якому відбувається цей потік. Тепловий блок, як і будь-який тип енергії, у фізиці – це Джоуль.
При свердлінні отворів в сталевій пластині охолоджуюча рідина заливається на свердлильну площу. Завдяки цьому, плита і дриль не нагріваються надмірно. Цей ідеальний процес аналізується з точки зору зміни внутрішньої енергії, представленої наступним чином: завдяки роботі, внутрішня енергія свердла і дисків збільшується, але частина цієї енергії передається теплоносію у вигляді тепла.
В результаті ВЕ може залишитися незмінною – це станеться, якщо її зростання, викликане роботою, буде дорівнювати теплу перенесеної рідини. Якщо теплопередача рідини менше роботи сил тертя, ВЕ збільшиться, але на менше значення, ніж при відсутності охолодження. Якщо тепло від рідини буде більше, то від виконаної роботи внутрішня теплота свердла і пластини зменшиться.
Щоб пластилін став більш пластичним, його потрібно нагріти. Можна зробити це, тримаючи його в руках, але результат буде досягнутий набагато швидше, якщо додатково пом’яти його. Пластилін отримує тепло від рук, і в результаті його внутрішня енергія зростає. При його розминанні робиться робота, яка також збільшує внутрішню енергію.
