Внутренняя энергия

Энергия как физическая величина характеризует способность физических объектов совершать работу. Механическая энергия является суммой потенциальной и кинетической энергий, которые зависят от взаимного расположения тел и скорости их движения. С помощью характеристики внутренней энергии в физике объясняются процессы, когда работа может совершаться покоящимся телом за счет энергии отдельных частиц, из которых состоит это тело.

Внутренняя энергия

Рис. 1. Выдавливание пробки из колбы горячими водяными парами.

.

Откуда берется эта энергия?

Все физические объекты (твердые, жидкие и газообразные) состоят из атомов и молекул, которые находятся в постоянном движении. В газах атомы и молекулы перемещаются внутри всего объема хаотично. В жидкостях длина пробега намного меньше, а в твердом теле молекулы колеблются в узлах кристаллической решетки. При повышении температуры возрастают скорость перемещения частиц, то есть увеличивается их кинетическая энергия, которая равняется:

$$Ek={mv^2 \over 2}$$

где:

Ek — кинетическая энергия;

m — масса;

v — скорость.

Все частицы взаимодействуют друг с другом (притягиваются, отталкиваются), а значит обладают еще и потенциальной энергией Eп. Сумма этих двух энергий является внутренней энергией системы, которую обозначают U:

$$U=Ek + Eп $$

Внутренняя энергия

Рис. 2. Внутренняя энергия представляет собой сумму кинетической и потенциальной энергий молекул.

Скорости молекул в газах сильно зависят от массы молекул и температуры. Например, при комнатной температуре средняя скорость молекул в водороде составляет 1930 м/сек, а в кислороде — 480 м/сек.

Как измерить внутреннюю энергию?

Внутренняя энергия тела может изменяться под воздействием внешней средой либо получая или отдавая тепло Q, либо совершая работу А. Экспериментально можно измерить только изменение внутренней энергии U. Первый закон термодинамики устанавливает формулу нахождения U:

$∆U ={ Q – A }$

Величину совершенной работы и полученное (или отданное) тепло можно измерить, а значит можно определить изменение внутренней энергии.

Внутренняя энергия

Рис. 3. Способы изменения внутренней энергии.

Молекулярная внутренняя энергия идеального газа

Идеальным газом называют такую среду, в которой расстояния между молекулами настолько велики, что друг с другом они не взаимодействуют, а значит внутренняя энергия газа представляет собой только сумму кинетических энергий всех молекул. Для такой модели удается получить формулу для вычисления внутренней энергии U:

$$U={3mRT\over 2}$$

где:

m — масса газа, кг;

M — 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.

Реальные физические объекты (газов, жидкостей, твердых тел) такая модель не описывает, так как необходимо учитывать энергию взаимодействия между частицами. Значит появится зависимость от объема тела.

Что мы узнали?

Итак, мы узнали, что внутренняя энергия тела — это сумма кинетической и потенциальной энергий всех частиц тела. В идеальном газе внутренняя энергия зависит только от температуры. Изменить внутреннюю энергию можно только либо с помощью совершения работы, либо подведения (или отбора) тепла к телу.