Так как любое тело состоит из молекул, молекулы из атомов, а атомы из ядер и электронов, то внутренняя энергия тела определяется суммарной кинетической и потенциальной энергиями его молекул и внутримолекулярной энергией (атомной, ядерной и др.)
Кинетическая энергия молекул определяется скоростью их хаотического движения (в твёрдых кристаллических телах колебательного движения молекул около положений равновесия; в жидкостях колебательного и поступательного движения молекул; в газах - поступательного движения молекул).
Скорость хаотического движения молекул определяется температурой тела - чем выше температура, тем больше скорость хаотического движения молекул.
Потенциальная энергия молекул определяется их взаимодействием (притяжением, отталкиванием), зависящем от расстояния между молекулами (см. занятие 33).
Твёрдые тела и жидкости при повышении температуры расширяются, значит их внутренняя энергия зависит и от температуры, и от объёма:
В газах молекулы находятся далеко друг от друга и практически не взаимодействуют, поэтому внутренняя энергия газа (идеального, разрежённого) зависит только от температуры:
С повышением температуры тела на
его внутренняя энергия увеличивается на
то есть изменение внутренней энергии тела определяется изменением его температуры. Здесь не рассматриваем случаев, когда происходит изменение агрегатного состояния вещества (плавления и т. д.)
Из опытов знаем, что при совершении работы над телом (например, сгибание и разгибание проволоки) температура тела повышается.
Известно ещё, что работа по преодолению сил трения (сопротивления) сопровождается повышением температуры трущихся поверхностей. Возник вопрос, какая количественная связь существует между произведённой механической работой и изменением температуры проволоки и трущихся поверхностей.
Ответ на этот вопрос дал Джоуль в середине 19 века по результатам проведённых им опытов. Джоуль пользовался установкой, схематически изображённой на рисунке
В сосуде с водой, под действием опускающейся гири, приводились во вращение лопасти 1, проходящие через отверстия в перегородках 3. Вращаясь, лопасти увлекали за собой воду, вызывая трение между её слоями, в результате вода нагревалась. Так как в начале и в конце опыта кинетическая энергия воды и всех частей прибора равна нулю, то есть не изменялась, то вся произведённая работа, равная
вызывала только нагревание воды и частей прибора. Нагревание частей прибора сводилось к нагреванию воды с использованием понятия водяного эквивалента. Эти опыты и множество подобных дали одинаковый результат.
А именно, если при исчезновении механической энергии не происходит никаких изменений в состоянии тел, кроме изменения температуры, то за счёт энергии, равной 4,18 кДж, температура 1 кг воды всегда повышается на 1 К.
Иначе можно сказать, что уменьшение механической энергии сопровождается увеличением внутренней энергии на такую же величину (проявляется всеобщий характер закона сохранения энергии) или совершение работы над системой приводит к увеличению её внутренней энергии.
Пример. Пусть система состоит из свинцовой пластинки и свинцового шарика, поднятого над этой пластинкой. Энергия системы состоит из потенциальной энергии шарика и внутренней энергии шарика и пластинки. При падении на пластинку шарик и пластинка нагреваются (повышается их внутренняя энергия). На сколько уменьшится потенциальная энергия шарика, на столько же увеличится внутренняя энергия системы шарик - пластинка, а полная энергия системы останется неизменной.
Таким образом, энергия может переходить из одного вида в другой, передаваться от одного тела к другому, но общая энергия остаётся постоянной.
Если говорить об идеальном газе, то его внутренняя энергия равна суммарной кинетической энергии его молекул (см. занятие 35).
Таким образом, рассмотрено понятие внутренней энергии, её связь с температурой. Получено выражение для нахождения внутренней энергии идеального газа.
К.В. Рулёва Подпишитесь на канал. Просьба дать информацию о нём своим друзьям.
Предыдущая запись: продолжение занятия 36
Следующая запись: школьникам (количество теплоты)
Смотрите ещё:
Занятие 36. Основы термодинамики. Количество теплоты. Внутренняя энергия идеального газа.
Занятие 37. Первый закон термодинамики.
Ссылки на другие занятия даны в Занятии 1.