Внутренняя энергия и способы её изменения
⚡ Физика · 8 класс
Что такое внутренняя энергия
Внутренняя энергия тела — это сумма кинетической энергии беспорядочного движения всех его молекул и потенциальной энергии их взаимодействия. Обозначают её буквой U, измеряют в джоулях (Дж). В отличие от механической энергии, внутренняя энергия связана не с движением тела как целого, а с движением и взаимодействием частиц внутри него.
Летящий мяч обладает кинетической энергией, но и внутри него молекулы беспорядочно движутся — значит, у мяча есть и внутренняя энергия. Даже неподвижное тело, лежащее на полу, её имеет: молекулы никогда не останавливаются, их движение называют тепловым. Поэтому внутренняя энергия есть у любого тела при любой температуре, и полностью отнять её нельзя.
От чего зависит внутренняя энергия
Главный фактор — температура: чем она выше, тем быстрее движутся молекулы и тем больше их кинетическая энергия, а значит, и внутренняя энергия тела. Зависит внутренняя энергия также от массы тела (чем больше молекул, тем больше суммарная энергия), от рода вещества и от его агрегатного состояния. При плавлении или испарении внутренняя энергия растёт, хотя температура может не меняться, потому что увеличивается потенциальная энергия молекул.
Два способа изменить внутреннюю энергию
Внутреннюю энергию тела можно изменить двумя способами.
- Совершением работы над телом или самим телом. Если сгибать и разгибать проволоку, она нагревается; пилу нагревает трение о доску; воздух в насосе нагревается при сжатии.
- Теплопередачей — переходом энергии от более нагретого тела к менее нагретому без совершения работы. Теплопередача идёт тремя путями: теплопроводностью, конвекцией и излучением.
Результат в обоих случаях одинаков — внутренняя энергия меняется, а значит, меняется и температура (если не происходит плавление или кипение). По изменению одной только внутренней энергии нельзя сказать, каким именно способом её изменили.
| Способ | Пример | Что происходит |
|---|---|---|
| Работа | Накачивание шины насосом | Воздух сжимается и нагревается |
| Работа (трение) | Растирание ладоней | Ладони нагреваются |
| Работа | Удар молотком по гвоздю | Гвоздь нагревается |
| Теплопередача | Ложка в горячем чае | Ложка нагревается |
| Теплопередача | Снег на солнце | Снег нагревается и тает |
Разбор примера
Свинцовый шарик падает с высоты и ударяется о стальную плиту. До удара он обладал механической (потенциальной, затем кинетической) энергией. После удара шарик остановился, его механическая энергия исчезла, но не пропала бесследно — она превратилась во внутреннюю энергию шарика и плиты, и они немного нагрелись:
E_мех -> U (шарик и плита нагреваются)Так на опыте видно, что механическая энергия и внутренняя энергия могут превращаться друг в друга, а полная энергия при этом сохраняется.
Частые ошибки. Нельзя говорить «тело содержит теплоту» или «в теле запасена теплота». Теплота — это не запас в теле, а энергия, переданная при теплопередаче от одного тела к другому. У тела есть запас именно внутренней энергии, а теплота и работа — лишь способы её изменить.
Кратко о главном
- Внутренняя энергия — энергия движения и взаимодействия молекул, обозначается
U. - Она зависит прежде всего от температуры, а также от массы, рода вещества и его состояния.
- Изменить её можно двумя способами: совершением работы и теплопередачей.
- При теплопередаче энергия переходит от горячего тела к холодному.
- Механическая и внутренняя энергия могут превращаться друг в друга.