Внутрішня енергія, способи зміни внутрішньої енергії

Внутрішню енергію тіла становлять кінетична енергія всіх його молекул і потенційна енергія їх взаємодії.

Внутрішня енергія входить до балансу енергетичних перетворень у природі. Після відкриття внутрішньої енергії був сформульований закон збереження і перетворення енергії. Розглянемо взаємне перетворення механічної і внутрішньої енергії. Нехай на свинцевій пластині лежить свинцева куля. Піднімемо його вгору і відпустимо. Коли ми підняли куля, то повідомили йому потенційну енергію. При падінні кулі вона зменшується, оскільки куля опускається все нижче і нижче. Але зі збільшенням швидкості поступово збільшується кінетична енергія кулі. Відбувається перетворення потенційної енергії кулі в кінетичну. Але ось куля вдарився об свинцеву плиту і зупинився. І кінетична і потенційна енергії його відносно плити стали рівними нулю. Розглядаючи кулю і плиту після удару, ми побачимо, що їх стан змінився: куля трохи сплющився, і на плиті утворилася невелика вм’ятина; вимірявши ж їх температуру, ми виявимо, що вони нагрілися.

Нагрівання означає збільшення середньої кінетичної енергії молекул тіла. При деформації змінюється взаємне розташування частинок тіла, тому змінюється і їх потенційна енергія.

Таким чином, можна стверджувати, що в результаті удару кулі про плиту відбувається перетворення механічної енергії, якою володів до початку досвіду куля, у внутрішню енергію тіла.

Неважко спостерігати і зворотний перехід внутрішньої енергії в механічну.

Наприклад, якщо взяти скляний товстостінний посуд і накачати в нього повітря через отвір в пробці, то через якийсь час пробка з посудини вилетить. У цей момент в посудині утворюється туман. Поява туману означає, що повітря в посудині став холодніше і, отже, його внутрішня енергія зменшилась. Пояснюється це тим, що знаходився в посудині стиснене повітря, виштовхуючи пробку (тобто розширюючись), здійснив роботу за рахунок зменшення своєї внутрішньої енергії. Кінетична енергія пробки збільшилася за рахунок внутрішньої енергії стисненого повітря.

Таким чином, одним із способів зміни внутрішньої енергії тіла є робота, чинена молекулами тіла (або іншими тілами) над даними тілом. Спосіб зміни внутрішньої енергії без здійснення роботи є теплопередача.

Газ, кожна молекула якого складається з двох атомів, називається двохатомних. Кожен атом може рухатися по трьом напрямкам, тому загальне число можливих напрямків руху — 6. За рахунок зв’язку між молекулами число ступенів свободи зменшується на одну, тому число ступенів свободи для двохатомної молекули дорівнює п’яти.

Для ідеальних газів внутрішня енергія залежить тільки від одного макроскопічного параметра — температури і не залежить від обсягу, оскільки потенційна енергія дорівнює нулю (обсяг визначає середня відстань між молекулами).

Для реальних газів потенційна енергія не дорівнює нулю. Тому внутрішня енергія в термодинаміці в загальному випадку однозначно визначається параметрами, що характеризують стан цих тіл: обсягом (V) і температурою (T).

ПОДІЛИТИСЯ:

Дивіться також:
Кутова швидкість