Внутренняя энергия
Энергия как физическая величина характеризует способность физических объектов совершать работу. Механическая энергия представляет собой сумму потенциальной и кинетической энергий, зависящих от взаимного расположения тел и скорости их движения. С помощью характеристик внутренней энергии в физике объясняют процессы, когда покоящееся тело может совершать работу за счет энергии отдельных частиц, составляющих это тело.
Примеры внутренней энергии
Если в лабораторную колбу налить немного воды, закрыть ее пробкой и поставить на горячую плитку, то через некоторое время пробка откроется под давлением пара, образующегося в результате кипячения воды. То есть будет совершена работа по проталкиванию (перемещению) пробки, даже несмотря на то, что весь объем пара (в целом) находился в покое. Электрическая энергия преобразовывалась в тепловую, которая доводила воду до точки кипения, а образовавшийся пар (газообразное состояние воды) проталкивал пробку. На совершение работы затрачивалась внутренняя энергия пара.
Рис. 1. Выдавите пробку из колбы с дымящейся горячей водой.
.
Откуда берется эта энергия?
Все физические объекты (твердые, жидкие и газообразные) состоят из атомов и молекул, находящихся в постоянном движении. В газах атомы и молекулы хаотично движутся по объему. В жидкостях длина пути намного короче, а в твердом теле молекулы колеблются в узлах кристаллической решетки. С повышением температуры увеличивается скорость движения частиц, то есть увеличивается их кинетическая энергия, которая равна:
Эк={мв^2 \более 2}
где:
Ek — кинетическая энергия;
m — масса;
v — скорость.
Все частицы взаимодействуют друг с другом (притягиваются, отталкиваются) и поэтому тоже обладают потенциальной энергией Ер. Сумма этих двух энергий и есть внутренняя энергия системы, обозначаемая U:
U = Эк + Еп
Рис. 2. Внутренняя энергия есть сумма кинетической и потенциальной энергий молекул.
Скорости молекул в газах во многом зависят от массы молекул и от температуры. Например, при комнатной температуре средняя скорость молекул водорода составляет 1930 м/с, а кислорода — 480 м/с.
Как измерить внутреннюю энергию?
Внутренняя энергия тела может изменяться под воздействием внешней среды либо за счет получения или выделения теплоты Q, либо за счет совершения работы А. Экспериментально можно измерить только изменение внутренней энергии U. Первый закон термодинамики гласит: формула для нахождения U:
∆U = { Q — А }
Количество выполненной работы и полученного (или отданного) тепла можно измерить, а значит, можно определить изменение внутренней энергии.
Рис. 3. Способы изменения внутренней энергии.
Молекулярная внутренняя энергия идеального газа
Идеальный газ — это среда, в которой расстояния между молекулами настолько велики, что они не взаимодействуют друг с другом, а значит, внутренняя энергия газа — это просто сумма кинетических энергий всех молекул. Для такой модели можно получить формулу для расчета внутренней энергии U:
U={3mRT\более 2}
где:
m — масса газа, кг;
М – молярная масса газа, кг/моль;
T – температура газа;
R — универсальная газовая постоянная, R = 8,3144598 Дж/(моль*К).
Из этой формулы следует, что внутренняя энергия идеального газа U зависит только от температуры.
Эта модель не описывает реальные физические объекты (газы, жидкости, твердые тела), так как необходимо учитывать энергию взаимодействия между частицами. Тогда будет зависимость от объема кузова.
