Внутрішня енергія тіла

Внутрішньою енергією тіла називають суму кінетичної енергії теплового руху його атомів і молекул і потенційної енергії їх взаємодії між собою.

У багатьох випадках механічна енергія тіла, яка є сумою його кінетичної і потенційної енергії, змінюється.

Наприклад, м’яч, який котиться по полю, сповільнюється, а бурулька, яка впала з даху, розбивається об землю і перетворюється на кілька нерухомих осколків. Коли м’яч котиться по полю, він долає силу тертя, здійснюючи роботу, в результаті чого його кінетична енергія зменшується на величину досконалої роботи, а разом з нею – і швидкість.

Робота проти сили тертя призводить до:

  • різних деформацій вздовж траєкторії м’яча;
  • його нагрівання;
  • нагрівання всього того, чого він торкався при русі.

Механічна енергія удару об землю бурульки частково витрачається на роботу, необхідну для того, щоб розколоти її на шматки, а інша частина енергії витрачається на деформацію цих осколків і ділянки землі, на яку вони впали. Ну, а якщо ці осколки ковзали по землі перш, ніж зупинитися, то частина механічної енергії перетворилася і в тепло.

Так як енергія не може зникати або виникати з нізвідки, то зменшення механічної енергії рухомого м’яча і падаючої бурульки означає, що механічна енергія перетворюється на якийсь інший вид енергії, який залежить від внутрішнього стану тіла:

  • його температури;
  • енергії зв’язку між його частинами тощо

Цей вид енергії тіла називають його внутрішньою енергією.

Внутрішня енергія тіла збільшується при нагріванні, так як з ростом температури кінетична енергія молекул теж зростає. Другим доданком внутрішньої енергії є потенційна енергія зв’язків між частинками тіла, тому ці частинки притягуються один до одного, чим і забезпечується його цілісність.

Тому, внутрішню енергію тіла можна змінити, якщо стиснути, розтягнути або навіть роздрібнити його, здійснюючи, таким чином, роботу над тілом.

Однак внутрішня енергія тіла залежить не тільки від його температури, що діють на нього сил і ступеня роздробленості. При плавленні, твердінні, конденсації і випаровуванні, тобто при зміні агрегатного стану тіла, потенційна енергія зв’язку між його атомами і молекулами теж змінюється, а значить, змінюється і його внутрішня енергія.

Крім того, внутрішня енергія може змінюватися, коли речовина, з якої складається тіло, вступає в хімічну (або ядерну) реакцію, в результаті чого хімічна структура речовини (або структура атомного ядра) змінюється і його внутрішня енергія – теж.

Очевидно, що внутрішня енергія тіла повинна бути пропорційна його об’єму і дорівнює сумі кінетичної і потенційної енергії всіх молекул і атомів, з яких складається це тіло.

На жаль, для більшості речовин величини кінетичної і потенційної енергії молекул невідомі, і тому обчислити значення внутрішньої енергії відповідних тіл не представляється можливим.

У той же час, ідеальний газ влаштований дуже просто і складається з молекул, які не взаємодіють між собою, а значить, потенційна енергія з взаємодії дорівнює нулю. Тому внутрішня енергія ідеального газу дорівнює кінетичній енергії теплового руху його атомів або молекул і може бути обчислена досить просто наступним чином.

Нехай газ одноатомний, тобто складається з окремих атомів, а не молекул, наприклад, будь-який з інертних газів. Тоді кінетична енергія атомів цього газу дорівнює кінетичній енергії їх поступального руху, так як обертальний рух відсутній.

Тому для обчислення внутрішньої енергії, U одноатомного газу маси m необхідно помножити середню кінетичну енергію, ЕСР його атома на загальну кількість, N атомів в газі:

Як випливає з вищезазначеної формули, внутрішня енергія ідеального газу прямо пропорційна його абсолютній температурі і не залежить від інших макроскопічних параметрів газу – його тиску і об’єму.

Таким чином, стискаючи газ в ізотермічних умовах, ми не змінюємо його внутрішню енергію.

Питання для повторення

  • Дайте визначення внутрішній енергії тіла.
  • Як внутрішня енергія залежить від агрегатного стану і температури?
  • Як залежить внутрішня енергія ідеального газу від його температури, тиску і об’єму?
Посилання на основну публікацію