Вывод: частицы вещества обладают кинетической энергией благодаря своему движению и потенциальной энергией благодаря взаимодействию и взаимному расположению.
Кинетическая энергия всех молекул, из которых состоит тело, и потенциальная энергия их взаимодействия составляют внутреннюю энергию тела.
Пример (Сборник задач Лукашик В.И.). Обладает ли внутренней энергией лед на замерзшей реке?
Ответ. Представьте ваш класс, сидящий за партами, но некоторые ваши одноклассники ерзают и покачиваются на стульях (кинетическая энергия). При этом они все еще остаются на своих местах благодаря правилам и дисциплине (потенциальная энергия, «запасённая» в этой организованной системе). Лёд — это и есть такая «организованная» и «дисциплинированная» структура, но движение внутри неё не прекращается. Таким образом, молекулы льда обладают и кинетической энергией, и потенциальной энергией, поэтому он обладает и внутренней энергией.
От чего зависит внутренняя энергия?
Внутренняя энергия определяется движением частиц вещества, их взаимодействием и взаимным расположением, поэтому на внутреннюю энергию оказывают влияние:
1. Температура. Температура — это показатель того, насколько быстро и хаотично движутся молекулы. Чем выше температура, тем сильнее колеблются молекулы в твёрдых телах, и тем быстрее движутся молекулы в жидкостях и газах. А кинетическая энергия — это энергия движения. Значит, чем быстрее движутся молекулы, тем больше их кинетическая энергия, которая является главной частью внутренней энергии.
Пример (Сборник задач Генденштейн Л.Э.). В один стакан налита холодная вода, в другой — столько же горячей воды. Одинакова ли внутренняя энергия воды в этих стаканах?
Ответ. Нет. У горячей воды внутренняя энергия больше. Потому что её молекулы движутся гораздо быстрее и имеют большую кинетическую энергию. Чем выше температура, тем больше энергия движения всех молекул, а значит и внутренняя энергия.
2. Агрегатное состояние. В разных состояниях (твёрдом, жидком, газообразном) сильно меняется расстояние между молекулами и силы их взаимодействия. В твёрдом теле молекулы расположены близко и сильно притягиваются, следовательно, молекулы обладают большой потенциальной энергией. В газах молекулы расположены далеко друг от друга и слабо взаимодействуют, следовательно, потенциальная энергия молекул небольшая. Кинетическая энергия частиц зависит от температуры. Поэтому при одной и той же температуре внутренняя энергия вещества в разных агрегатных состояниях отличается из-за разной потенциальной энергии взаимодействия молекул.
Пример (Сборник задач Генденштейн Л.Э.). В сосуде находятся лед и вода одинаковой массы при температуре 0°С. Обладает ли лед внутренней энергией? Одинакова ли внутренняя энергия воды и льда?
Ответ. Первый вопрос. Да, лёд обладает внутренней энергией. Его молекулы колеблются (движутся), а между ними есть силы взаимодействия, а значит молекулы льда обладают и кинетической, и потенциальной энергией, сумма которых и есть внутренняя энергия льда. Второй вопрос. Нет, внутренняя энергия воды и льда разная, хотя их температура одинаковая (0°C). Для того чтобы превратить лед в воду необходимо сообщить льду некоторую энергию. Вся энергия подводимого тепла при плавлении идёт на разрушение связей между молекулами льда. Это увеличивает потенциальную энергию молекул, поэтому у молекул воды потенциальная энергия больше, чем у молекул льда. Кинетическая энергия молекул (которая зависит от температуры) у них одинаковая. Вывод: внутренняя энергия воды при 0°C больше, чем внутренняя энергия льда при 0°C.
3. Объем. При изменении объема газа или при деформации твердого тела изменяются расстояния между частицами, поэтому изменяется и потенциальная энергия взаимодействия частиц. Как следствие изменяется и внутренняя энергия (ведь потенциальная энергия частиц это одна из компонент внутренней энергии тела).
Пример (Сборник задач Лукашик В.И.). В каком из состояний пружина обладает минимальной внутренней энергией: в растянутом, в сжатом или недеформированном?
Ответ. Минимальной внутренней энергией пружина обладает в недеформированном состоянии. Атомы находятся на оптимальном расстоянии друг от друга. Силы притяжения и отталкивания между ними уравновешены. Система находится в равновесии, потенциальная энергия взаимодействия частиц минимальна. Это самое «удобное» и энергетически выгодное состояние для всех атомов. При любой из деформаций, изменяются как расстояния, так и силы взаимодействия частиц. А значит изменяется и потенциальная энергия их взаимодействия, т.е. изменяется внутренняя энергия. Представьте, что вы поднимаете мяч. На земле его энергия минимальна. На высоте у него появляется дополнительная потенциальная энергия. Так и с пружиной: её «нормальное» состояние — это «на земле», а деформация — это «подъём на высоту».
Ну и наконец, внутренняя энергия зависит от массы тела. Представьте, что у вас есть две бутылки воды. Одна – поллитровая, вторая – объемом 1,5 литра. Вода в этих бутылках находится при одинаковой температуре, значит кинетическая энергия молекул воды в бутылках одинакова. Вода в бутылках находится в одном и том же агрегатном состоянии, значит и потенциальная энергия взаимодействия молекул воды в бутылках также одинакова. Но, так как в бутылке объемом 1,5 литра содержится больше молекул воды, чем в бутылке объемом 0,5 литра, сумма кинетической и потенциальной энергии молекул будет больше, т.е. внутренняя энергия полуторалитровой бутылки воды больше, чем внутренняя энергия бутылки воды объемом 0,5 литра.
Внутренняя энергия тела не зависит ни от механического движения тела, ни от положения этого тела относительно других тел.
Поднимем тело, например, карандаш, над столом. При этом расстояние между молекулами карандаша и его температура (а значит и скорость движения молекул) не меняется. Значит, не меняется ни потенциальная энергия взаимодействия молекул, ни их кинетическая энергия. Следовательно, поднимая карандаш, мы не изменяем его внутреннюю энергию.
Представьте, что у вас во внутреннем кармане в кошельке лежит монета и вы идете в школу. Окажет ли какое-либо действие на молекулы монеты ваше движение? Конечно нет. Поэтому механическое движение тела не влияет на внутреннюю энергию.
Пример (Сборник задач Генденштейн Л.Э.). Как изменяется внутренняя и механическая энергия хоккейной шайбы:
а) когда ее выносят из теплой комнаты на мороз;
б) когда самолет, на котором перевозят шайбу (вместе с хоккейной командой), разгоняется на взлетной полосе;
в) когда самолет набирает высоту;
г) когда по шайбе бьют клюшкой?
а) Внутренняя энергия: уменьшается. Шайба охлаждается. Молекулы начинают двигаться медленнее, их средняя кинетическая энергия, а значит и внутренняя энергия, уменьшается.
Механическая энергия: не изменяется. Шайбу просто переносят. Её скорость и высота относительно Земли не меняются.
б) Внутренняя энергия: не изменяется. Внутренняя энергия не зависит от механического движения, то есть от того, что самолет разгоняется. Движение молекул относительно друг друга остаётся прежним.
Механическая энергия: увеличивается. Шайба, лежащая в самолёте, приобретает вместе с ним большую скорость, а значит, увеличивается её кинетическая энергия.
в) Внутренняя энергия: не изменяется. Движение шайбы в самолете и изменение ее положения относительно поверхности Земли не оказывает никакого влияния на молекулы шайбы.
Механическая энергия: увеличивается. Шайба поднимается над Землёй, поэтому увеличивается её потенциальная энергия.
г) Внутренняя энергия: увеличивается. При ударе шайба деформируется, поэтому изменяется потенциальная энергия взаимодействия молекул.
Механическая энергия: увеличивается. Шайба, покоившаяся на льду, приобретает большую скорость. Её кинетическая энергия становится очень большой.