Внутрішня енергія

З поняттям енергія ми зіткнулися ще в 7 класі. Давайте згадаємо його визначення.

Визначення. Енергія - фізична величина, яка характеризує здатність тіла або системи тіл виконати певну роботу.

Саме поняття робота є знайомим і звичним з повсякденного життя. Вона ділиться на безліч видів, ми ж поки вивчили тільки поняття механічної роботи. Якщо згадати, то механічна робота - це величина, за допомогою якої можливо описувати процеси переміщення тіла при додатку певної сили. Наприклад, можна оцінити роботу, яку необхідно виконати, щоб перевезти важкий вантаж з одного місця на інше (рис. 1). Так ось, саме здатність тіла до виконання механічної роботи характеризується механічною енергією тіла.

Мал. 1. Робота сили тяги

Зручно зобразити за допомогою схеми.

Визначення. Кінетична енергія - частина механічної енергії, яка визначає рух тіла.

Визначення. Потенційна енергія - енергія, яку мають тіла або частини одного тіла через те, що взаємодіють з іншими тілами (або частинами тіл).

Позначення в наведених формулах:

- маса тіла, кг,

- швидкість руху тіла, м / с,

- прискорення вільного падіння, Н / кг (м / с2),

- висота тіла над поверхнею, м,

- жорсткість пружини, Н / м,

- розтягнення пружини, м.

Крім згаданих понять, слід згадати і те, що два типи механічної енергії можуть перетворюватися (переходити) один в одного, наприклад при падінні тіла (рис. 2). Розглянемо вільно падаючий кульку. Очевидно, що при падінні його висота над поверхнею зменшується, а швидкість збільшується. Це означає, що зменшується його потенційна енергія, а кінетична збільшується. Слід розуміти, що ці два процеси не відбуваються окремо, вони взаємопов'язані, і кажуть, що потенційна енергія переходить у кінетичну.

Мал. 2. Падіння вантажу

Уявляти собі процеси перетворення механічних енергій при падінні тіла зручно наступним чином: суму всіх енергій (повну механічну енергію) представити як повне відро води з написом «потенційна енергія», з якого починають переливати воду у відро з написом «кінетична енергія». Виходить, що відро з «потенційною енергією» дрібніє, а з «кінетичної» наповнюється, загальний обсяг води при цьому не змінюється - цим уже пояснюється закон збереження механічної енергії.

З наведеного прикладу стає ясно, що в миті безпосередньо перед падінням тіла на поверхню (висота дорівнює нулю) вся потенційна енергія переходить в кінетичну (одне відро перелито в інше). Виникає питання: що ж відбувається з кінетичної енергією тіла після удару об поверхню, адже тіло зупиняється і його висота над поверхнею стає рівною нулю? Куди ж перейшла вся енергія? Вона перетворюється в новий для нас тип енергії, про який ми поговоримо пізніше.

Можна розглянути й інший приклад перетворення енергії: коливання вантажу на пружині (рис. 3). В даному випадку спостерігається схожа ситуація - перетворення потенційної енергії в кінетичну і навпаки. Цей випадок відрізняється від процесу падіння тіла тим, що в нижній точці коливання вантажу пружина стискається назад, тим самим дозволяючи відбуватися перетворенням енергій періодично з потенційною - в кінетичну - знову в потенційну і т. Д., Поки не припиняться коливання. Якщо розібратися докладніше, то в даному процесі перетворення енергій відбуваються складніше, наприклад, при русі вантажу з нижньої точки деформованої пружини відбувається перехід потенційної енергії пружини в потенційну енергію вантажу (він піднімається) і його кінетичну енергію (він розганяється). Т. е. На цьому прикладі ми бачимо, що в перетвореннях можуть брати участь відразу кілька видів енергій, які можуть ставитися до різних тіл (пружина і вантаж).

Мал. 3. Коливання вантажу на пружині

Повернемося до питання про те, у що перетворюється кінетична енергія тіла відразу після падіння на поверхню. Вона перетворюється у внутрішню енергію, що і є основним об'єктом вивчення даного уроку.

Щоб зрозуміти, що таке внутрішня енергія, слід звернути увагу на мікросвіт частинок речовини (атоми і молекули) і згадати, що вони знаходяться в безперервному русі - це вже підказує про наявність у них кінетичної енергії. Крім того, частинки взаємодіють один з одним, що призводить до виникнення у них потенційної енергії (рис. 4).

Рис.4. Внутрішня енергія

Визначення. Кінетична енергія руху частинок і потенційна енергія їх взаємодії складають внутрішню енергію тіла. Внутрішню енергію позначають і вимірюється вона, як і всі інші види енергії, в Дж (джоулях).

Отже, маємо формулу для внутрішньої енергії тіла: , Де під розуміється кінетична енергія частинок тіла, а під їх потенційна енергія.

Згадаймо попередній урок, на ньому ми говорили про те, що рух частинок тіла характеризує його температура, а, з іншого боку, внутрішня енергія тіла пов'язана з характером (активністю) руху частинок. Отже, внутрішня енергія і температура - взаємопов'язані поняття. При підвищенні температури тіла його внутрішня енергія теж підвищується, при зниженні - зменшується.

Взаємозв'язок між внутрішньою енергією і різними видами процесів можна зобразити на схемі:

Слід звернути особливу увагу на те, що внутрішня енергія тіла не залежить від потенційної і кінетичної енергії самого тіла, а тільки від потенційної і кінетичної енергії його часток (рис. 5). Ці поняття важливо не плутати.

Мал. 5. Порівняння понять «кінетична і потенційна енергія тіла» і «кінетична і потенційна енергії частинок тіла»

Якщо порівнювати внутрішню енергію з іншими видами енергій, то вона як поняття існує окремо і має особливу властивість: будь-яке тіло при будь-яких умовах завжди має якийсь запас внутрішньої енергії.

На наступному уроці ми поговоримо про те, які існують способи зміни внутрішньої енергії, і познайомимося з поняттям теплообмін.

Список літератури

1. Генденштейн Л.Е, Кайдалов А.Б., Кожевников В.Б. / Под ред. Орлова В.А., Ройз І.І. Фізика 8. - М .: Мнемозина.
2. Перишкін А.В. Фізика 8. - М .: Дрофа, 2010 року.
3. Фадєєва А.А., Засов А.В., Кисельов Д.Ф. Фізика 8. - М .: Просвещение.

Додаткові рекомендовані посилання на ресурси мережі Інтернет

1. Інтернет-портал «class-fizika.narod.ru» ( джерело )
2. Інтернет-портал «postupim.ru» ( джерело )
3. Інтернет-портал «school.xvatit.com» ( джерело ).

Домашнє завдання

1. № 1-4. Перишкін А.В. Фізика 8. - М .: Дрофа, 2010 року.
2. Чи можна однозначно визначити, яке з тіл має більшу внутрішню енергію, якщо відомі температури і маси тіл, але не відомі речовини, з яких вони складаються?
3. Воду від температури 20 оC нагріли до кипіння, деякий час кип'ятили, а потім знову охолодили до температури 20 оC. Чи змінилася при цьому внутрішня енергія води? Якщо так, то як і чому?
4. * Яка частина механічної енергії перейшла у внутрішню, якщо тіло перед падінням на поверхню мало швидкість , А відразу після відскоку - ?