Внутренняя энергия. Способы изменения внутренней энергии

Ключевые слова: взаимодействие молекул, тепловое движение молекул, внутренняя энергия.

На этом уроке вы:

• ознакомитесь с понятием внутренней энергии тела и способами ее изменения.

Внутренняя энергия. Рассмотренные нами в двух предыдущих параграфах опыты позволяют заключить:

1. Все тела (вещества) состоят из молекул.
2. Молекулы взаимодействуют между собой.
3. Молекулы находятся в непрерывном хаотическом движении, которое никогда не прекращается.

Это вы знаете. Макроскопические тела обладают кинетической и потенциальной энергией. Кинетическая энергия — это энергия движения, потенциальная энергия — это энергия взаимодействия.

Значит, молекулы обладают и кинетической, и потенциальной энергией. Сумма кинетической и потенциальной энергии всех частиц, составляющих это тело, называется внутренней энергией тела.

При изменении температуры тела изменяется скорость теплового движения молекул, а значит, изменяется и их кинетическая энергия. Мы также знаем, что изменение температуры ведет к изменению размеров тела. Это означает изменение расстояния между молекулами, которое приводит к изменению потенциальной энергии взаимодействия молекул. Таким образом, внутренняя энергия зависит от температуры. При увеличении температуры внутренняя энергия тела возрастает, а при понижении — уменьшается.

Энергия одной молекулы очень мала, так как чрезвычайно малы массы молекул, в то же время концентрация молекул в веществе огромна. Например, в 1 м³ кислорода содержится около $2{,}7 \cdot 10^{25}$ молекул, поэтому суммарная энергия всех молекул, т. е. внутренняя энергия тел, велика. Можно рассчитать, например, что внутренняя энергия воды в трехлитровой банке при комнатной температуре будет равна работе, которую нужно совершить для поднятия тела массой около 1 т на высоту 75 метров! Это внутренняя энергия всего трех литров воды. А теперь представьте, какой колоссальной внутренней энергией обладает мировой океан! Так как молекулы вещества никогда не прекращают теплового движения, внутренняя энергия тела не может быть равна нулю.

Внутренняя энергия зависит и от агрегатного состояния вещества. Например, лед тает при температуре 0 °C. В сосуде с тающим льдом и вода, и лед имеют одинаковую температуру 0 °C. Но при этом внутренняя энергия льда меньше, чем внутренняя энергия воды. Т. к. молекулы кристаллического льда расположены упорядоченно, при таянии происходит разрушение кристаллической решетки, что ведет к увеличению внутренней энергии. Потенциальная энергия взаимодействия также разная, потому что в разных агрегатных состояниях одного и того же вещества взаимное расположение молекул разное.

Из определения внутренней энергии ясно, что она складывается из кинетической и потенциальной энергии молекул. Нам известно из раздела механики, что сумму кинетической и потенциальной энергии называют полной механической энергией. Единицей измерения внутренней энергии, так же как и механической энергии, является джоуль (Дж).

Но по сути эти понятия имеют большую разницу. В механике мы имеем дело с одним или несколькими макроскопическими телами. Механическая энергия зависит от движения (кинетическая энергия) тела как целого и от его взаимодействия (потенциальная энергия) с другими телами или между частями одного и того же тела.

Внутренняя энергия тела складывается из кинетической и потенциальной энергии молекул, которых насчитывается огромное количество. К тому же кинетическая энергия отдельно взятой молекулы непрерывно и хаотично изменяется и заранее рассчитать эти значения невозможно. Но при таком огромном количестве частиц проявляются новые так называемые статистические закономерности, с которыми мы ознакомимся в старших классах. В результате для описания свойств вещества появляется возможность использовать средние значения характеристик частиц. Например, используется понятие средней кинетической энергии молекул. Механическая энергия данного конкретного тела может быть разной в зависимости от его движения и расположения. Например, если камень, лежащий на земле, взять и кинуть, его механическая энергия изменится. Однако внутренняя энергия его при этом останется прежней. Таким образом, внутренняя энергия вещества характеризует его тепловое состояние, она зависит только от характера движения и взаимодействия молекул, составляющих это тело.

Запомните! Внутренняя энергия зависит только от температуры и агрегатного состояния вещества. Так как тепловое движение молекул никогда не прекращается, внутренняя энергия тела всегда отлична от нуля. А механическая энергия, в зависимости от выбора системы отсчета, может быть равна нулю.

Способы изменения внутренней энергии. Каким образом можно изменять внутреннюю энергию тела?

Один способ мы знаем: надо изменять температуру. Если поставить на горячую плиту кастрюлю с холодной водой, она нагревается, ее внутренняя энергия растет. Если в стакан с горячей водой опустить кусочек льда, он растает, а вода в стакане остынет, ее внутренняя энергия уменьшится. В таких случаях говорят, что от более горячего тела к более холодному передается теплота, т. е. происходит теплопередача. Можно привести множество таких примеров, и вы их наблюдаете в повседневной жизни постоянно.

Опыт 1. Возьмите монету в 100 тенге и энергично потрите ее о поверхность стола. Менее чем через минуту вы почувствуете, что она нагрелась, ее внутренняя энергия увеличилась.

Опыт 2. Если у вас есть велосипед, обратите внимание на то, что при накачке камеры колеса насос нагревается.

Опыт 3. Возьмите толстую алюминиевую или медную проволоку и быстрыми движениями изгибайте ее в одном месте. Через некоторое время место изгиба нагреется.

Опыт 4. «Воздушное огниво». Поместите на дно толстостенного стеклянного цилиндра вату, смоченную эфиром (рис. 3.1). Резко опустите поршень. Можно увидеть, что воздух в цилиндре нагрелся настолько, что вата воспламенилась.

Рис. 3.1. Воздушное огниво

Из этих опытов можно сделать вывод, что внутреннюю энергию можно изменять без передачи тепла, совершая работу. Возможность изменения внутренней энергии тела при совершении работы впервые экспериментально было доказано в опытах Бенджамина Томпсона (графа Румфорда) в 1798 году. Он наблюдал за изготовлением пушек в мюнхенских военных мастерских. В те времена сначала отливали из расплавленного металла пушечные стволы, затем в них высверливали каналы для ядер большими специальными станками, приводившимися в движение лошадьми (рис. 3.2). Румфорд заметил, что при сверлении стволы сильно нагреваются. Он предположил, что пушечный ствол нагревается вследствие трения сверла о ствол. Чтобы усилить эффект, Румфорд использовал тупое сверло, которое было плотно прижато к стенкам канала ствола. Он поместил ствол в бочку с водой. В процессе сверления вода нагрелась и спустя 2,5 часа закипела. Таким образом, было доказано, что совершение работы может привести к выделению большого количества тепла. Если работа совершается над телом, его внутренняя энергия увеличивается. Если работу совершает само тело, его внутренняя энергия уменьшается.

Бенджамин Томпсон, граф Румфорд (1753—1814).

Итак, есть два способа изменения внутренней энергии: теплопередача и совершение механической работы.

Рис. 3.2. Опыт Румфорда

Определите, какие из ниже приведенных утверждений являются верными, какие — не верными:

1. С ростом температуры внутренняя энергия тела растет.
2. Внутренняя энергия не зависит от температуры.
3. Если температура двух тел одинакова, то и внутренняя энергия этих тел одинаковая.
4. Одно и то же вещество всегда обладает одной и той же внутренней энергией.
5. Внутренняя энергия одного и того же вещества в разных агрегатных состояниях разная.

Это интересно! Если средняя температура Земли понизится всего на 1 градус, то выделится энергия, в миллиард раз превосходящая энергию, вырабатываемую за год всеми электростанциями мира.

Вопросы

1. Что такое внутренняя энергия тела?
2. Как изменится внутренняя энергия при нагревании и при охлаждении тела?
3. Как можно установить, что внутренняя энергия тела изменилась?
4. На столе при комнатной температуре расположены в одинаковых литровых банках вода и подсолнечное масло, а также стальной и деревянный бруски объемом 1 дм³. Одинакова ли внутренняя энергия этих веществ и предметов? Ответ обоснуйте.
5. Какие способы изменения внутренней энергии вы знаете? Приведите примеры.
6. Ведро воды подняли на высоту 20 м. Как изменилась механическая и внутренняя энергия воды? Ответ обоснуйте.
7. На улице в холодную погоду у Ерлана замерзли руки. Зайдя в дом, он захотел побыстрее их согреть. Какими способами он может это сделать? Объясните, чем они отличаются?
8. Приведите примеры из повседневной жизни, когда совершение работы приводит к изменению внутренней энергии.

Творческая мастерская

В литровую пластиковую банку с закручивающейся крышкой налейте воды примерно до половины. Измерьте температуру. Плотно закройте ее крышкой, оберните полотенцем. Энергично встряхивайте в течение 15 минут. Откройте крышку и быстро измерьте температуру. Как изменилась температура? Объясните полученные выводы.

Самостоятельно изучите устройство и принцип работы термоскопа Галилея. Составьте презентацию по теме «Термоскоп Галилея».