§ 3. Внутрішня енергія

У новинах, коли йдеться про космічні дослідження, ви могли чути фразу на зразок: «Супутник увійшов в атмосферу Землі й припинив своє існування». Але ж зрозуміло, що супутник мав величезну механічну енергію — кінетичну, оскільки він рухався, та потенціальну, оскільки був високо над поверхнею Землі. Куди ж зникла колосальна енергія супутника? Фізики пояснюють, що ця енергія передалася частинкам (молекулам, атомам, йонам) повітря та частинкам супутника, тобто перейшла в енергію всередині речовин. Цю енергію називають внутрішньою. Про те, що таке внутрішня енергія, і йтиметься далі.

1. Знайомимося з поняттям внутрішньої енергії

Ми вже звертали увагу на те, що завдяки тепловому руху кожна частинка речовини завжди має кінетичну енергію (рис. 3.1).

Зрозуміло, що кінетична енергія окремої частинки незначна, оскільки маса частинки є дуже малою. Водночас кількість частинок в одиниці об’єму речовини величезна, і тому їхня сумарна кінетична енергія є досить великою (рис. 3.2).

Крім кінетичної енергії частинки речовини мають і потенціальну енергію, тому що (згадайте молекулярно-кінетичну теорію) взаємодіють одна з одною — притягуються та відштовхуються.

Рис. 3.1. Кожна частинка речовини перебуває в стані безперервного хаотичного руху, завдяки чому має кінетичну енергію

Рис. 3.2. Сумарна кінетична енергія частинок повітря, наприклад, у великій шафі становить близько 0,4 МДж. Цієї енергії достатньо, щоб усіх учнів вашого класу підняти приблизно на 25 м

Суму кінетичних енергій теплового руху частинок, із яких складається тіло, і потенціальних енергій їхньої взаємодії називають внутрішньою енергією тіла.

Одиниця внутрішньої енергії в СІ — джоуль (Дж).

Згадайте інші фізичні величини, одиницею яких в СІ є джоуль.

2. З’ясовуємо, коли змінюється внутрішня енергія тіла

Мірою середньої кінетичної енергії руху частинок речовини, із яких складається тіло, є температура. Зі зміною температури змінюється сумарна кінетична енергія всіх частинок, а отже, змінюється внутрішня енергія тіла.

Крім того, зі зміною температури тіло розширюється або стискається. При цьому змінюється відстань між частинками речовини і, як наслідок, змінюється потенціальна енергія їхньої взаємодії. Це теж, у свою чергу, зумовлює зміну внутрішньої енергії тіла.

Рис. 3.3. У різних агрегатних станах взаємне розташування молекул речовини є різним, тому відрізняється і потенціальна енергія взаємодії молекул

Рис. 3.4. За однакової температури внутрішня енергія льоду є меншою від внутрішньої енергії тієї самої маси води

Отже, внутрішня енергія тіла змінюється зі зміною його температури: зі збільшенням температури тіла його внутрішня енергія збільшується, а зі зменшенням температури — зменшується.

Внутрішня енергія змінюється також зі зміною агрегатного стану речовини: під час зміни агрегатного стану речовини змінюється взаємне розташування її частинок, тобто змінюється потенціальна енергія їхньої взаємодії (рис. 3.3). Наприклад, під час плавлення речовини її внутрішня енергія збільшується, а під час кристалізації — зменшується (рис. 3.4). Докладніше про це ви дізнаєтеся наприкінці розділу І «Теплові явища».

3. Розрізняємо внутрішню і механічну енергії

Під час вивчення механіки йшлося про те, що суму кінетичної та потенціальної енергій системи тіл називають повною механічною енергією цієї системи. Дехто з вас, можливо, скаже: «То виходить, що внутрішня енергія і механічна енергія — одне й те саме!» Проте це не так.

Дещо схожі за формальними ознаками, ці поняття значно різняться своєю сутністю — їх навіть вивчають у різних розділах фізики. Згодом ви дізнаєтеся про це детальніше, а зараз зазначимо тільки деякі відмінності.

Коли розглядають механічну енергію, то йдеться про одне або декілька тіл. А от коли розглядають внутрішню енергію, то йдеться про рух і взаємодію дуже великої кількості частинок (наприклад, в 1 г води міститься більш ніж 10 молекул!). Зрозуміло, що у випадку із внутрішньою енергією не можна відстежити індивідуальні характеристики кожної частинки, тому фізики використовують тільки середні характеристики (про середню кінетичну енергію ви вже знаєте).

Рис. 3.5. Механічна енергія наплічника, що лежить на підлозі (а), стоїть на стільці (б) або рухається разом із хлопчиком (в), є різною, а внутрішня енергія — однаковою

Механічна енергія залежить від руху й розташування фізичного тіла відносно інших тіл або частин тіла відносно одна одної. Натомість внутрішня енергія визначається характером руху та взаємодії тільки частинок тіла. Так, механічна енергія наплічника, що лежить на підлозі, стоїть на стільці або «подорожує» разом із вами шкільним коридором, є різною, а от його внутрішня енергія за незмінної температури буде однаковою (рис. 3.5).

Підбиваємо підсумки

Будь-яке фізичне тіло має внутрішню енергію. Внутрішня енергія тіла — це сума кінетичних енергій усіх частинок, з яких складається тіло, і потенціальних енергій їхньої взаємодії.

Внутрішня енергія тіла змінюється зі зміною його температури та в процесі зміни агрегатного стану речовини, з якої це тіло складається.

Контрольні запитання

1. Чому частинки речовини мають потенціальну енергію? завжди мають кінетичну енергію? 2. Що називають внутрішньою енергією тіла? 3. Від чого залежить внутрішня енергія тіла? 4. Поки лід плавиться, його температура не змінюється. Чи змінюється при цьому внутрішня енергія льоду? 5. Чи може тіло мати внутрішню енергію, але не мати при цьому механічної енергії?

Вправа № 3

1. Якщо підняти камінь з поверхні землі, то потенціальна енергія каменя, а отже, кожної його частинки збільшується. Чи означає це, що внутрішня енергія каменя також збільшується? Обґрунтуйте свою відповідь.

2. М’яч кинули вгору. Як під час руху м’яча змінюється його внутрішня енергія? механічна енергія? Опором повітря знехтуйте.

3. Як змінюються внутрішня й механічна енергії пляшки з водою у вашому наплічнику, коли ви в морозну погоду заходите з вулиці в теплий будинок? піднімаєтеся на другий поверх будівлі? прискорюєте рух шкільним коридором?

4. Металеву кульку підвісили на мотузці й нагріли. Як змінилася внутрішня енергія кульки? механічна енергія кульки?

5. Установіть відповідність між механічною енергією та формулою для її визначення.