§ 39. Внутрішня енергія тіл

Ви вже знаєте, що теплові явища - це явища, пов’язані з нагріванням і охолодженням тіл. Ми постійно стикаємося із цими явищами. Зміна дня і ночі супроводжується зміною температури тіл, що, в свою чергу, впливає на їхні властивості. Зміна пір року у наших широтах супроводжується змінами агрегатних станів речовини тощо. Людство здавна намагалося пояснити та використати ці явища в повсякденному житті. Пояснити теплові явища можна, користуючись величинами, які характеризують світ молекул та атомів, тобто використовуючи молекулярно-кінетичну теорію, з якою ви ознайомилися і вмієте пояснювати теплові явища, які ви знаєте.

Величини, якими оперує ця теорія, масу молекул, їх швидкість руху, енергію називають мікроскопічними (від грец. μικρός - «малий»). Вона здобула визнання на початку XX ст., хоча теорія про атомну будову речовини зародилася ще в Давній Греції.

Знаючи, що речовина складається з величезної кількості частинок (нагадаємо, що в 1 см³ міститься близько 10²³ молекул), то описати рух кожної молекули чи атома й визначити (виміряти) сили взаємодії між ними дуже важко, а інколи й неможливо. Отже, методи молекулярної фізики для кількісного опису явищ у певних випадках виявляються занадто складними.

Окрім цього, використовуючи багатовіковий досвід спостережень за перебігом теплових явищ і процесів, сформулювавши загальний принцип їх перебігу та вимірявши за допомогою приладів такі величини, значення яких визначаються спільною дією величезної кількості молекул, наприклад, тиск, температура, об’єм, густина, можна вивести багато співвідношень між цими величинами, нічого не знаючи про будову речовини.

Метод вивчення властивостей тіл без урахування особливостей їх внутрішньої будови називають термодинамічним, величини, якими він оперує, - макроскопічними (від грец. μάκρος - «великий»), а розділ фізики, у якому вивчають цей метод, - термодинамікою.

Закони молекулярно-кінетичної теорії доповнюють термодинаміку, розширюючи при цьому можливості вивчення макроскопічних тіл, які складаються з великої кількості частинок. Так, будь-яке макроскопічне тіло має енергію, яка зумовлена його мікростаном, а саме кінетичною енергією хаотичного руху його молекул і потенціальною енергією їх взаємодії. Таку енергію називають внутрішньою енергією. Розрахувати внутрішню енергію, визначаючи кінетичну і потенціальну енергію мільярдів частинок, неможливо, тому потрібно вміти визначити її значення, вимірявши макроскопічні величини, що характеризують стан тіла.

Отже, враховуючи, що в цьому рівнянні є тільки дві змінні величини, можна зробити висновок, що внутрішня енергія одноатомного ідеального газу під час нагрівання збільшується, а під час охолодження зменшується. Тобто залежить від одночасного параметра - його абсолютної температури.

Якщо ж будова ідеального газу складніша, ніж в одноатомного, то зміниться лише коефіцієнт пропорційності між його внутрішньою енергією і значенням абсолютної температури.

У реальних газах, рідинах і твердих тілах потенціальна енергія взаємодії мікрочастинок залежить від відстані між ними, а відстань між частинками впливає на об’єм тіла. Тому внутрішня енергія тіла визначається його температурою Т і об’ємом V.

Сукупність матеріальних тіл, які перебувають у взаємодії з навколишніми тілами і можуть обмінюватися з ними енергією та частинками, називають термодинамічною системою.

Найважливішими її параметрами є об’єм V, тиск Р і температура Т. Якщо стан термодинамічної системи не змінюється із часом, її параметри залишаються сталими, то кажуть, що система перебуває у термодинамічній рівновазі.

З курсу фізики 8-го класу ви знаєте, що існує два види процесів, під час яких може змінюватися внутрішня енергія тіла: теплообмін і виконання роботи.

Внутрішня енергія тіла визначає його тепловий стан і змінюється, переходячи від одного стану до іншого. Енергія завжди передається від більш нагрітого тіла до менш нагрітого. При цьому швидкість руху молекул холодного тіла збільшується, а гарячого тіла - зменшується, кінетичні енергії молекул обох тіл стають однаковими.

Процес передачі енергії від більш нагрітого до менш нагрітого тіла називають теплообміном, а порцію переданої енергії називають кількістю теплоти.

Пригадаємо, як обчислюється зміна внутрішньої енергії тіл під час теплообміну:

під час нагрівання чи охолодження тіл: ΔU = Q = cm(t₂ - t₁) = сm(Т₂ - T₁);
під час плавлення і тверднення тіл: ΔU = ±λm,
під час пароутворення і конденсації рідини: ΔU = Q = ±rm;
під час повного згоряння палива: ΔU = Q = qm.

Зверніть увагу на те, що кількість теплоти характеризує не внутрішню енергію тіла, а її зміну.

Якщо ж способом передачі є виконання механічної роботи, то кількість переданої енергії називають - робочою. Так, нагріти руки можна, не тримаючи їх над обігрівачем, а потерши долоню об долоню, розпалити вогнище без сірників, так, як це робили первісні люди, тертям сухих шматочків дерева. Ці й подібні до них приклади й досліди показують, що кількість теплоти і виконану роботу треба вважати мірою зміни внутрішньої енергії тіла.

Пригадаємо, що механічну роботу можна визначити за формулою А = FScosa або А = Е₂ - E₁ де Е₂ - кінцеве, а E₁ - початкове значення повної механічної енергії.

Здатність змінювати внутрішню енергію тіл під час виконання роботи застосовують у техніці. Одним з прикладів є зварювання тертям. Зварювані деталі щільно притискають і потім приводять у швидке обертання одна відносно одної. У результаті виконання роботи на подолання сили тертя між деталями відбуваються розігрівання і плавлення їх поверхонь, і під час стискання вони зварюються.

У тому що нагрівання тіла може відбуватися без надання йому певної кількості теплоти, а за рахунок виконання роботи, неважко переконатися і на простих дослідах. Складіть долоні, і потерши їх одна об одну, ви відчуєте тепло, зігніть і розігніть кілька разів мідну пластинку чи дротину, і ви виявите, що місце згину нагрілося. Ударте кілька разів молотком по шматку свинцю, виявиться, що свинець також нагрівся.

Отже, внутрішня енергія тіла може змінюватися двома способами - за допомогою теплообміну та в результаті виконання роботи.

ЧИ ЗНАЄТЕ ВИ ЩО...

• За 30 хв наше тіло виділяє стільки енергії, скільки потрібно, щоб закип’ятити 1,5 л води.

• Мозок людини виробляє неймовірну кількість енергії. Енергія мозку людини, яка спить, могла б засвітити лампочку потужністю 25 Вт.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

1. Які явища називають тепловими? Наведіть приклади цих явищ.
2. Які два підходи існують у фізиці щодо пояснення теплових явищ?
3. Від чого залежить внутрішня енергія тіла, виходячи з молекулярно-кінетичної теорії?
4. Які макропараметри визначають внутрішню енергію тіла?
5. Чому дорівнює зміна внутрішньої енергії, якщо відбувається лише теплообмін?
6. Як виконана механічна робота впливає на внутрішню енергію тіла?

Зміст