Внутрішня енергія

Ми знаємо, що існує два види механічної енергії: потенційна і кінетична.

Потенційною енергією володіють тіла, які взаємодіють один з одним - притягуються або відштовхуються. Наприклад, потенційною енергією володіє камінь, піднятий над Землею, стисла або розтягнута пружина, стиснений газ.

Кінетичної енергією володіють рухомі тіла: поточна вода, вітер, що котиться м'яч, що летить куля. Значення кінетичної енергії залежить від маси тіла, що рухається і від його швидкості. Потенційна і кінетична енергії можуть перетворюватися один в одного.

Розглянемо ще один приклад перетворення енергії.

На свинцевою плиті лежить свинцева куля. Піднімемо його вгору і відпустимо (рис. 179). Коли ми підняли кулю, то повідомили йому потенційну енергію. При падінні кулі вона зменшується, адже куля опускається все нижче і нижче. Зате поступово збільшується кінетична енергія кулі, так як збільшується його швидкість. Відбувається перетворення потенційної енергії тіла в кінетичну. Але ось куля вдарився об свинцеву плиту і зупинився (рис. 180). І кінетична, і потенційна енергії його щодо плити в цей момент будуть дорівнюють нулю.

Чи означає це, що енергія, якою володів до цього куля, безслідно зникла? Ні, не означає. Розглядаючи куля і плиту після удару, ми помітимо, що куля трохи сплюснувся, і на плиті утворилася невелика вм'ятина, т. Е. Куля і плита при ударі деформувалися.

Вимірявши відразу ж після удару температуру кулі і плити (а це можна зробити), ми виявимо, що вони нагрілися.

Таким чином, в результаті удару кулі об плиту змінився стан цих тіл - вони деформувалися і нагрілися. Але якщо змінився стан тіл, то змінилася і енергія частинок, з яких складаються тіла.

Дійсно, ми вже знаємо, що при нагріванні тіла збільшується середня швидкість руху молекул, а отже, збільшується їх середня кінетична енергія. Молекули мають також і потенційну енергію: адже вони взаємодіють один з одним - притягуються, а при дуже тісному зближенні відштовхуються. При деформації ж тіла змінюється взаємне розташування його молекул, тому змінюється і їх потенційна енергія. Отже, при зіткненні змінюється і кінетична, і потенційна енергія молекул.

Енергію руху і взаємодії частинок, з яких складається тіло, називають внутрішньою енергією тіла.

Тепер Ми дізналися, що, крім механічної енергій, існує ще один вид енергії - внутрішня.

Внутрішня енергія тіла не залежить ні від руху тіла, ні від положення цього тіла відносно інших тіл. Маючи завжди якийсь запас внутрішньої енергії, тіло одночасно може володіти механічною енергією. Наприклад, що летить на деякій висоті над землею літак, крім внутрішньої енергії, володіє ще механічної енергією - потенційної і кінетичної.

Кінетична і потенційна енергії однієї молекули дуже малі, так як мала маса молекули. Але молекул в тілі багато, тому внутрішня енергія тіла, що дорівнює сумі енергій всіх молекул, досить велика.

Так, кінетична енергія однієї молекули водню при кімнатній температурі дорівнює 0,000 000 000 000 000 000005 Дж (5/1021 Дж = 5 * 10-21 Дж). Розрахунки показують, що сума кінетичних енергій всіх молекул водню, що містяться в 1 м3 його при тих же умовах, дорівнює 140 000 Дж, - це вже значне число. Якщо підняти на висоту 3 м величезний кувальний молот масою 5 т, то його потенційна енергія буде становити теж близько 140 000 Дж. Але потенційну енергію молота легше використовувати, ніж внутрішню енергію 1 м3 водню. Досить відпустити молот, і, падаючи на деталь, він зробить роботу: його потенційна енергія буде використана.

Але не так просто і не завжди можливо використовувати внутрішню енергію тіла. Способам її використання приділяють велику увагу в науці. Успіхи техніки багато в чому пов'язані з тим, наскільки людство навчилося «витягувати» внутрішню енергію тел.

До внутрішньої енергії відносять також і ту енергію, яку називають атомною енергією. При вивченні теплових явищ враховують тільки енергію молекул, тому що вона головним чином змінюється в цих явищах. Тому в подальшому, говорячи про внутрішню енергії тіла, ми будемо розуміти під нею кінетичну енергію теплового руху і потенційну енергію взаємодії молекул тіла.

Питання. 1. Які перетворення енергії відбуваються при підйомі кулі і при його падінні? 2. Як змінюється стан свинцевого кулі і свинцевою плити в результаті їх зіткнення? 3. В яку енергію перетворюється механічна енергія кулі при ударі його об плиту? 4. Яку енергію називають внутрішньою енергією тіла? 5. Чи залежить внутрішня енергія тіла від того, володіє саме тіло кінетичної і потенційної енергією чи ні? 6. Яку енергію легше використовувати - механічну або внутрішню?