Внутренняя энергия

Мы знаем, что существует два вида механической энергии: потенциальная и кинетическая.

Потенциальной энергией обладают тела, которые взаимодействуют друг с другом — притягиваются или отталкиваются. Например, потенциальной энергией обладает камень, поднятый над Землей, сжатая или растянутая пружина, сжатый газ.

Кинетической энергией обладают движущиеся тела: текущая вода, ветер, катящийся мяч, летящая пуля. Значение кинетической энергии зависит от массы движущегося тела и от его скорости. Потенциальная и кинетическая энергии могут превращаться друг в друга.

Рассмотрим еще один пример превращения энергии.

На свинцовой плите лежит свинцовый шар. Поднимем его вверх и отпустим (рис. 179). Когда мы подняли шар, то сообщили ему потенциальную энергию. При падении шара она уменьшается, ведь шар опускается все ниже и ниже. Зато постепенно увеличивается кинетическая энергия шара, так как увеличивается его скорость. Происходит превращение потенциальной энергии тела в кинетическую. Но вот шар ударился о свинцовую плиту и остановился (рис. 180). И кинетическая, и потенциальная энергии его относительно плиты в этот момент будут равны нулю.

Означает ли это, что энергия, которой обладал до этого шар, бесследно исчезла? Нет, не означает. Рассматривая шар и плиту после удара, мы заметим, что шар немного сплющился, и на плите образовалась небольшая вмятина, т. е. шар и плита при ударе деформировались.

Измерив сразу же после удара температуру шара и плиты (а это можно сделать), мы обнаружим, что они нагрелись.

Таким образом, в результате удара шара о плиту изменилось состояние этих тел — они деформировались и нагрелись. Но если изменилось состояние тел, то изменилась и энергия частиц, из которых состоят тела.

Действительно, мы уже знаем, что при нагревании тела увеличивается средняя скорость движения молекул, а следовательно, увеличивается их средняя кинетическая энергия. Молекулы обладают также и потенциальной энергией: ведь они взаимодействуют друг с другом — притягиваются, а при очень тесном сближении отталкиваются. При деформации же тела изменяется взаимное расположение его молекул, поэтому изменяется и их потенциальная энергия. Итак, при соударении меняется и кинетическая, и потенциальная энергия молекул.

Энергию движения и взаимодействия частиц, из которых состоит тело, называют внутренней энергией тела.

Теперь Мы узнали, что, кроме механической энергий, существует еще один вид энергии — внутренняя.

Внутренняя энергия тела не зависит ни от движения тела, ни от положения этого тела относительно других тел. Имея всегда какой-то запас внутренней энергии, тело одновременно может обладать механической энергией. Например, летящий на некоторой высоте над землей самолет, кроме внутренней энергии, обладает еще механической энергией — потенциальной и кинетической.

Кинетическая и потенциальная энергии одной молекулы очень малы, так как мала масса молекулы. Но молекул в теле много, поэтому внутренняя энергия тела, равная сумме энергий всех молекул, достаточно велика.

Так, кинетическая энергия одной молекулы водорода при комнатной температуре равна 0,000 000 000 000 000 000005 Дж (5/10²¹ Дж = 5*10^-21 Дж). Расчеты показывают, что сумма кинетических энергий всех молекул водорода, содержащихся в 1 м3 его при тех же условиях, равна 140 000 Дж,— это уже значительное число. Если поднять на высоту 3 м громадный ковочный молот массой 5 т, то его потенциальная энергия будет составлять тоже около 140 000 Дж. Но потенциальную энергию молота легче использовать, чем внутреннюю энергию 1 м3 водорода. Достаточно отпустить молот, и, падая на деталь, он совершит работу: его потенциальная энергия будет использована.

Но не так просто и не всегда возможно использовать внутреннюю энергию тела. Способам ее использования уделяют большое внимание в науке. Успехи техники во многом связаны с тем, насколько человечество научилось «извлекать» внутреннюю энергию тел.

К внутренней энергии относят также и ту энергию, которую называют атомной энергией. При изучении тепловых явлений учитывают только энергию молекул, потому что она главным образом изменяется в этих явлениях. Поэтому в дальнейшем, говоря о внутренней энергии тела, мы будем понимать под ней кинетическую энергию теплового движения и потенциальную энергию взаимодействия молекул тела.

Вопросы. 1. Какие превращения энергии происходят при подъеме шара и при его падении? 2. Как изменяется состояние свинцового шара и свинцовой плиты в результате их соударения? 3. В какую энергию превращается механическая энергия шара при ударе его о плиту? 4. Какую энергию называют внутренней энергией тела? 5. Зависит ли внутренняя энергия тела от того, обладает само тело кинетической и потенциальной энергией или нет? 6. Какую энергию легче использовать — механическую или внутреннюю?