При рассмотрении механических явлений кинетическая и потенциальная энергия тел не зависят от их атомарно-молекулярного строения. Величина механической энергии зависит только от скорости тела (кинетическая энергия), как цельного объекта, и расположения тела относительно других тел (потенциальная энергия). В молекулярно-кинетической теории тело рассматривается как система из составляющих его частиц; для объяснения многих явлений, связанных с процессами теплообмена (нагрев и охлаждение) и ряда других эффектов, было введено понятие внутренней энергии тела.
Согласно молекулярно-кинетической теории внутренняя энергия U — это сумма потенциальной энергии взаимодействия молекул Eп, составляющих тело, и кинетической энергии их хаотического теплового движения Ek:
$ U = { Ek + Eп } $ (1).
Необходимость введения понятия о внутренней энергии обосновал в 1851 г. английский физик У. Кельвин. Данное им определение сохранилось до сих пор, но для названия он использовал старое словосочетание — “механическая энергия”. Название “внутренняя энергия” (от англ. — internal energy) ввел англичанин У. Ренкин.
Величина внутренней энергии
Внутренняя энергия тела изменяется под воздействием внешней среды, получая или отдавая тепло Q, либо совершая работу А. Экспериментально можно измерить только изменение внутренней энергии. Из первого закона термодинамики следует формула, устанавливающая функциональную связь между этими величинами:
$ ΔU ={ Q — A } $ (2).
Величина совершенной работы и полученное (или отданное) тепло поддаются измерению, а значит можно определить изменение внутренней энергии ΔU. Знак минус перед величиной работы означает, что работу совершило тело за счет своей внутренней энергии. Например, это может быть работа горячего пара, приводящего в механическое движение поршень. Если наоборот — над телом была совершена работа внешних сил, то в формуле (2) перед A будет знак плюс. Например, при забивании гвоздя молотком происходит его нагрев, то есть внутренняя энергия увеличивается.
Заметим, что из определения понятия внутренней энергии и формулы (2) следует, что измерить возможно только изменение этой величины (“дельту”), а не ее абсолютную величину.
Способы изменения внутренней энергии
Все способы изменения внутренней энергии тела могут быть отнесены либо к совершенным с помощью работы, либо к процессам теплопередачи (теплопереноса):
- Внутренняя энергия тела U увеличивается, если над ним совершается работа A. Если само тело совершает работу, то его внутренняя энергия будет уменьшаться;
- Тепло Q может быть передано телу с помощью одного (или нескольких) механизмов теплопередачи (теплопроводности, конвекции, излучения) :
- Механизм теплопроводности связан с передачей тепла от более нагретого тела к менее нагретому. Например, когда в горячий чай погружается холодная металлическая ложка, то очень быстро она нагреется за счет этого механизма, суть которого заключается в передаче энергии “горячих” молекул чая молекулам металлической ложки;
- Конвекция представляет собой перенос внутренней энергии в газах и жидкостях в результате циркуляции потоков вещества и последующего перемешивания. Простым примером для понимания этого механизма служит нагрев воздуха в квартирах от батарей центрального отопления. Нагретый вблизи батареи воздух начинает подниматься вверх (“всплывать”). Его место занимает холодный (более тяжелый) воздух. Таким образом, с помощью перемешивания этих потоков, происходит общий нагрев воздуха в квартире.
- Передача тепла с помощью излучения происходит в виде электромагнитных волн. Этот механизм включает в себя три стадии: сначала часть внутренней энергии тела преобразуется в энергию электромагнитных волн, далее следует их распространение в пространстве, которое заканчивается поглощением другим телом, в результате чего происходит изменение внутренней энергии обоих тел.
Кроме кинетической и потенциальной энергии частиц вклад во внутреннюю энергию могут давать еще:
- Химическая энергия, являющаяся результатом химических реакций между молекулами разных веществ. Примером реакции с выделением тепла Q (экзотермическая реакция) может служить реакция горения фосфора в кислороде:
$ 4P + 5O2 = 2P2O5 + Q $ (3);
- Энергия электронов, вращающихся вокруг ядер в атомах;
- Ядерная энергия.
Таким образом, в зависимости от различных условий, в которых находится вещество, те или иные энергетические источники будут давать определяющий вклад в изменение внутренней энергий. То есть внутренняя энергия — это не отдельный (специфический) вид энергии, а некоторый набор из составных частей (видов) полной энергии системы.
Что мы узнали?
Итак, мы узнали, что внутренняя энергия тела — это сумма потенциальной энергии взаимодействия молекул, составляющих тело, и кинетической энергии их хаотического теплового движения. При определенных условиях внутренняя энергия может изменяться за счет химической и ядерной энергий. Внутренняя энергия тела изменяется под воздействием внешней средой, получая или отдавая тепло Q, либо совершая работу А. Тепло Q может быть передано телу с помощью следующих механизмов теплопередачи: теплопроводности, конвекции и излучения.
