Внутренняя энергия

Что такое внутренняя энергия

Частицы тела движутся, значит обладают кинетической энергией. Частицы притягиваются друг к другу, значит обладают энергией взаимодействия.

Сумму этих энергий у всех частиц тела называют внутренней энергией. Обозначают её буквой U и измеряют в джоулях.

От скорости тела как целого она не зависит. Летящий мяч и лежащий мяч при одной температуре имеют одинаковую внутреннюю энергию.

Зависит она от температуры, массы тела и его состояния. Килограмм кипятка внутренней энергии имеет больше, чем килограмм холодной воды, а лёд при нуле градусов меньше, чем вода при нуле.

Точное значение внутренней энергии тела физика обычно не считает. Важно другое: на сколько джоулей она изменилась, и куда эти джоули ушли.

Первый способ изменить её: работа

Согни проволоку десяток раз, и место сгиба обожжёт пальцы. Ударь молотком по гвоздю несколько раз, и шляпка станет тёплой.

Потри ладони друг о друга. Работа мышц ушла на преодоление трения, а трение перевело её во внутреннюю энергию кожи.

Работать можно и над газом. Сожми воздух в толстостенном сосуде резким движением поршня, и температура подскочит так, что кусочек ваты внутри вспыхнет.

Обратное тоже верно. Расширяясь, газ сам совершает работу и охлаждается: так остывает воздух, вырывающийся из проколотой камеры.

На этом стоит холодильник. Внутри него газ то сжимают, то дают ему расшириться, и каждый раз энергия перетекает из камеры наружу.

Второй способ: теплопередача

Опусти холодную ложку в горячий чай, и она нагреется. Никто над ложкой работы не совершал.

Здесь энергия перешла от чая к ложке через соприкосновение. Такой переход называют теплопередачей.

Идёт он всегда в одну сторону: от тела с большей температурой к телу с меньшей. Останавливается тогда, когда температуры сравнялись.

Количество энергии, переданное при теплопередаче, называют количеством теплоты и обозначают буквой Q. Измеряют его в тех же джоулях.

Опыт с двумя стаканами

Налей в один стакан горячую воду, в другой холодную, поставь рядом и оставь на час.

Горячая вода остынет, холодная чуть нагреется, а обе придут к температуре комнаты. Энергия ушла от горячего к холодному и к воздуху.

Сама собой энергия обратно не соберётся. Холодная вода не отдаст своё тепло горячей, сколько ни жди.

Это одно из самых надёжных правил природы. Именно оно не даёт построить вечный двигатель.

Почему трение всегда греет

Работа против трения целиком уходит во внутреннюю энергию тел. Поэтому тормоза автомобиля после долгого спуска раскаляются.

По той же причине греется сверло в дереве и нагревается канат, если он быстро скользит через ладони.

Древние добывали огонь трением, вращая деревянную палочку. Сегодня тем же способом нечаянно поджигают траву искры от металла.

Ни одна машина не обходится без этих потерь. Часть работы всегда превращается в тепло, и вернуть её обратно полностью невозможно.

Иногда нагрев от трения полезен. Спичка загорается о коробок, а руки зимой греют, растирая ладони.

Что дальше

Мы разобрались, что такое внутренняя энергия. Дальше нужно понять, какими путями идёт теплопередача.

Их три: теплопроводность, конвекция и излучение. У каждого своя область, где он главный.

После этого появятся числа. Мы научимся считать, сколько джоулей нужно, чтобы нагреть воду в чайнике или расплавить кусок свинца.

Полезно держать в голове одну мысль. Все задачи этой темы сводятся к учёту энергии: сколько её пришло, сколько ушло и во что она превратилась.

Про движение частиц и температуру речь шла в уроке «Тепловое движение». Куда уходит работа против трения, разбирает урок «Трение».