Внутренняя энергия кинетическая и потенциальная: Внутренняя энергия — материалы для подготовки к ЕГЭ по Физике

Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Частицы любого тела — атомы или молекулы — совершают хаотическое непрекращающееся движение (так называемое тепловое движение). Поэтому каждая частица обладает некоторой кинетической энергией.

Кроме того, частицы вещества взаимодействуют друг с другом силами электрического притяжения и отталкивания, а также посредством ядерных сил. Стало быть, вся система частиц данного тела обладает ещё и потенциальной энергией.

Кинетическая энергия теплового движения частиц и потенциальная энергия их взаимодействия вместе образуют новый вид энергии, не сводящийся к механической энергии тела (т. е. кинетической энергии движения тела как целого и потенциальной энергии его взаимодействия с другими телами). Этот вид энергии называется внутренней энергией.

Внутренняя энергия тела — это суммарная кинетическая энергия теплового движения его частиц плюс потенциальная энергия их взаимодействия друг с другом

Внутренняя энергия термодинамической системы — это сумма внутренних энергий тел, входящих в систему.

Таким образом, внутреннюю энергию тела образуют следующие слагаемые.

1. Кинетическая энергия непрерывного хаотического движения частиц тела.
2. Потенциальная энергия молекул (атомов), обусловленная силами межмолекулярного взаимодействия.
3. Энергия электронов в атомах.
4. Внутриядерная энергия.

В случае простейшей модели вещества — идеального газа — для внутренней энергии можно получить явную формулу.

Потенциальная энергия взаимодействия частиц идеального газа равна нулю (напомним, что в модели идеального газа мы пренебрегаем взаимодействием частиц на расстоянии).

или

Мы видим, что внутренняя энергия идеального газа (масса и химический состав которого неизменнны) является функцией только его температуры. У реального газа, жидкости или твёрдого тела внутренняя энергия будет зависеть ещё и от объёма — ведь при изменении объёма изменяется взаимное расположение частиц и, как следствие, потенциальная энергия их взаимодействия.

Важнейшее свойство внутренней энергии заключается в том, что она является функцией состояния термодинамической системы. А именно, внутренняя энергия однозначно определяется набором макроскопических параметров, характеризующих систему, и не зависит от «предыстории» системы, т. е. от того, в каком состоянии система находилась прежде и каким конкретно образом она оказалась в данном состоянии.

Так, при переходе системы из одного состояния в другое изменение её внутренней энергии определяется лишь начальным и конечным состояниями системы и не зависит от пути перехода из начального состояния в конечное. Если система возвращается в исходное состояние, то изменение её внутренней энергии равно нулю.

Опыт показывает, что существует лишь два способа изменения внутренней энергии тела:

• совершение механической работы;
• теплопередача.

Попросту говоря, нагреть чайник можно только двумя принципиально разными способами: тереть его чем-нибудь или поставить на огонь 🙂 Рассмотрим эти способы подробнее.

Если работа совершается над телом, то внутренняя энергия тела возрастает.

Например, гвоздь после удара по нему молотком нагревается и немного деформируется. Но температура — это мера средней кинетической энергии частиц тела. Нагревание гвоздя свидетельствует об увеличении кинетической энергии его частиц: в самом деле, частицы разгоняются от удара молотком и от трения гвоздя о доску.

Деформация же есть не что иное, как смещение частиц друг относительно друга; гвоздь после удара испытывает деформацию сжатия, его частицы сближаются, между ними возрастают силы отталкивания, и это приводит к увеличению потенциальной энергии частиц гвоздя.

Итак, внутренняя энергия гвоздя увеличилась. Это явилось результатом совершения над ним работы — работу совершили молоток и сила трения о доску.

Если же работа совершается самим телом, то внутренняя энергия тела уменьшается.

Пусть, например, сжатый воздух в теплоизолированном сосуде под поршнем расширяется и поднимает некий груз, совершая тем самым работу (процесс в теплоизолированном сосуде называется адиабатным. Мы изучим адиабатный процесс при рассмотрении первого закона термодинамики).

Воздух, таким образом, совершает работу за счёт своей внутренней энергии: поскольку сосуд теплоизолирован, нет притока энергии к воздуху от каких-либо внешних источников, и черпать энергию для совершения работы воздух может только из собственных запасов.

Теплопередача — это процесс перехода внутренней энергии от более горячего тела к более холодному, не связанный с совершением механической работы

Различают три вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и тепловое излучение.

Сейчас мы рассмотрим их более подробно.

Если железный стержень сунуть одним концом в огонь, то, как мы знаем, долго его в руке не продержишь. Попадая в область высокой температуры, атомы железа начинают колебаться интенсивнее (т.е. приобретают добавочную кинетическую энергию) и наносят более сильные удары по своим соседям.

Кинетическая энергия соседних атомов также возрастает, и теперь уже эти атомы сообщают дополнительную кинетическую энергию своим соседям. Так от участка к участку тепло постепенно распространяется по стержню — от помещённого в огонь конца до нашей руки. Это и есть теплопроводность (рис. 1)(Изображение с сайта educationalelectronicsusa.com).

Рис. 1. Теплопроводность

Теплопроводность — это перенос внутренней энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым за счёт теплового движения и взаимодействия частиц тела.

Теплопроводность разных веществ различна. Высокую теплопроводность имеют металлы: лучшими проводниками тепла являются серебро, медь и золото. Теплопроводность жидкостей гораздо меньше. Газы проводят тепло настолько плохо, что относятся уже к теплоизоляторам: молекулы газов из-за больших расстояний между ними слабо взаимодействуют друг с другом. Вот почему, например, в окнах делают двойные рамы: прослойка воздуха препятствует уходу тепла).

Плохими проводниками тепла являются поэтому пористые тела — такие, как кирпич, вата или мех. Они содержат в своих порах воздух. Недаром кирпичные дома считаются самыми тёплыми, а в мороз люди надевают меховые шубы и куртки с прослойкой пуха или синтепона.

Но если воздух так плохо проводит тепло, то почему тогда прогревается от батареи комната?

Происходит это вследствие другого вида теплопередачи — конвекции.

Конвекция — это перенос внутренней энергии в жидкостях или газах в результате циркуляции потоков и перемешивания вещества.

Воздух вблизи батареи нагревается и расширяется. Действующая на этот воздух сила тяжести остаётся прежней, а выталкивающая сила со стороны окружающего воздуха увеличивается, так что нагретый воздух начинает всплывать к потолку. На его место приходит холодный воздух (тот же процесс, но в куда более грандиозных масштабах, постоянно происходит в природе: именно так возникает ветер), с которым повторяется то же самое.

В результате устанавливается циркуляция воздуха, которая и служит примером конвекции — распространение тепла в комнате осуществляется воздушными потоками.

Совершенно аналогичный процесс можно наблюдать и в жидкости. Когда вы ставите на плиту чайник или кастрюлю с водой, нагревание воды происходит в первую очередь благодаря конвекции (вклад теплопроводности воды тут весьма незначителен).

Конвекционные потоки в воздухе и жидкости показаны на рис. 2 (изображения с сайта physics.arizona.edu).

Рис. 2. Конвекция

В твёрдых телах конвекция отсутствует: силы взаимодействия частиц велики, частицы колеблются вблизи фиксированных пространственных точек (узлов кристаллической решётки), и никакие потоки вещества в таких условиях образоваться не могут.

Для циркуляции конвекционных потоков при отоплении комнаты необходимо, чтобы нагретому воздуху было куда всплывать. Если радиатор установить под потолком, то никакая циркуляция не возникнет — тёплый воздух так под потолком и останется. Именно поэтому нагревательные приборы помещают внизу комнаты. По той же причине чайник ставят на огонь, в результате чего нагретые слои воды, поднимаясь, уступают место более холодным.

Наоборот, кондиционер нужно располагать как можно выше: тогда охлаждённый воздух начнёт опускаться, и на его место будет приходить более тёплый. Циркуляция пойдёт в обратном направлении по сравнению с движением потоков при обогреве комнаты.

Каким образом Земля получает энергию от Солнца? Теплопроводность и конвекция исключены: нас разделяет 150 миллионов километров безвоздушного пространства.

Здесь работает третий вид теплопередачи — тепловое излучение. Излучение может распространяться как в веществе, так и в вакууме. Как же оно возникает?

Оказывается, электрическое и магнитное поля тесно связаны друг с другом и обладают одним замечательным свойством. Если электрическое поле изменяется со временем, то оно порождает магнитное поле, которое, вообще говоря, также изменяется со временем (подробнее об этом будет рассказано в листке про электромагнитную индукцию). В свою очередь переменное магнитное поле порождает переменное электрическое поле, которое опять порождает переменное магнитное поле, которое опять порождает переменное электрическое поле…

В результате развития этого процесса в пространстве распространяется электромагнитная волна —«зацепленные» друг за друга электрическое и магнитное поля. Как и звук, электромагнитные волны обладают скоростью распространения и частотой — в данном случае это частота, с которой колеблются в волне величины и направления полей. Видимый свет — частный случай электромагнитных волн.

Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме огромна: км/с. Так, от Земли до Луны свет идёт чуть больше секунды.

Частотный диапазон электромагнитных волн очень широк. Подробнее о шкале электромагнитных волн мы поговорим в соответствующем листке. Здесь отметим лишь, что видимый свет — это крохотный диапазон данной шкалы. Ниже него лежат частоты инфракрасного излучения, выше — частоты ультрафиолетового излучения.

Вспомним теперь, что атомы, будучи в целом электрически нейтральными, содержат положительно заряженные протоны и отрицательно заряженные электроны. Эти заряженные частицы, совершая вместе с атомами хаотическое движение, создают переменные электрические поля и тем самым излучают электромагнитные волны. Эти волны и называются тепловым излучением — в напоминание о том, что их источником служит тепловое движение частиц вещества.

Источником теплового излучения является любое тело. При этом излучение уносит часть его внутренней энергии. Встретившись с атомами другого тела, излучение разгоняет их своим колеблющимся электрическим полем, и внутренняя энергия этого тела увеличивается. Именно так мы и греемся в солнечных лучах.

При обычных температурах частоты теплового излучения лежат в инфракрасном диапазоне, так что глаз его не воспринимает (мы не видим, как мы «светимся»). При нагревании тела его атомы начинают излучать волны более высоких частот. Железный гвоздь можно раскалить докрасна — довести до такой температуры, что его тепловое излучение выйдет в нижнюю (красную) часть видимого диапазона. А Солнце кажется нам жёлто-белым: температура на поверхности Солнца настолько высока , что в спектре его излучения присутствуют все частоты видимого света, да ещё ультрафиолет, благодаря которому мы загораем.

Давайте ещё раз взглянем на три вида теплопередачи (рис. 3)(изображения с сайта beodom.com).

Рис. 3. Три вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение

Спасибо за то, что пользуйтесь нашими материалами. Информация на странице «Внутренняя энергия» подготовлена нашими редакторами специально, чтобы помочь вам в освоении предмета и подготовке к ЕГЭ и ОГЭ. Чтобы успешно сдать необходимые и поступить в ВУЗ или колледж нужно использовать все инструменты: учеба, контрольные, олимпиады, онлайн-лекции, видеоуроки, сборники заданий. Также вы можете воспользоваться другими статьями из разделов нашего сайта.

Публикация обновлена: 08.04.2023

Внутренняя энергия | 8 класс

Содержание

В физике рассматриваются всевозможные явления: механические, тепловые, световые, электрические и др.

Вы уже знакомы с некоторыми механическими явлениями. Такая физическая величина, как механическая энергия, показывает, какую работу может совершить тело. Она бывает двух видов: потенциальная и кинетическая.

Сможем ли мы использовать эти виды энергии для описания тепловых явлений? Или же нам будет недостаточно этих определений? На данном уроке мы рассмотрим превращение энергии и узнаем ответы на эти вопросы.

Кинетическая и потенциальная энергии

Вспомним определения:

Потенциальная энергия — это энергия , которая определяется взаимным положением взаимодействующих тел или частей одного и того же тела. 2}{2}$.

Рисунок 2. Растянутая резинка как пример тела, обладающего потенциальной энергией.

Другим примером потенциальной энергии будет являться любое тело, поднятое над землей на какую-либо высоту (рисунок 3). В таком случае используется формула $E_п = mgh$).

Рисунок 3. поднятое в руке яблоко как пример тела, обладающего потенциальной энергией.

Кинетическая и потенциальная энергии — это два вида механической энергии, и они могут превращаться друг в друга.

Превращение энергии

Рассмотрим простой опыт (рисунок 4).

Рисунок 4. Превращение энергий на примере шара и плиты из свинца.

У нас есть шар и плита из свинца. Поднимем шар на определенную высоту и отпустим (рисунок 4, а). Что будет происходить во время падения?

1. Высота подъема уменьшается — потенциальная энергия шара уменьшается
2. Увеличивается скорость — увеличивается кинетическая энергия шара

Значит, происходит превращение потенциальной энергии в кинетическую.

Шар достигает плиты и останавливается (рисунок 4, б). Его кинетическая и потенциальная энергии равны нулю. Механическая энергия превратилась в другую форму энергии.

Что это за энергия? При ударе о плиту шар приплюснулся, а на плите осталась вмятина. Произошла деформация двух тел. Измерение температуры шара и плиты после удара покажет нам, что они нагрелись. О чем это говорит?

1. Состояние тел изменилось — изменилась энергия частиц, из которых состоят тела
2. При нагревании увеличилась средняя скорость движения и средняя кинетическая энергия молекул
3. При деформации изменилось взаимное расположение молекул — изменилась их потенциальная энергия

Таким образом, механическая энергия шара перешла в энергию молекул.

Внутренняя энергия

Внутренняя энергия — это кинетическая энергия всех молекул, из которых состоит тело, и потенциальная энергия их взаимодействия.

$U = E_к + E_п$,

где $U$ — внутренняя энергия, $E_к$ — кинетическая энергия молекул тела, $E_п$ — потенциальная энергия молекул тела.

В нашем опыте (рисунок 4) механическое движение прекратилось, когда шар упал на плиту. Но усилилось тепловое движение его молекул. Так механическая энергия превращается во внутреннюю энергию шара.

Теперь мы знаем два вида энергии: механическая энергия и внутренняя энергия. При рассмотрении тепловых явлений мы будем учитывать только внутреннюю энергию (энергию молекул).

{"questions":[{"content":"Укажите, какой буквой обозначается <b>внутренняя энергия</b>, и как она рассчитывается. <br />Внутренняя энергия $($[[fill_choice-51]]$)$ $=$ [[fill_choice-73]]$\\space+\\space$[[fill_choice-92]]","widgets":{"fill_choice-51":{"type":"fill_choice","options":["$U$","$E$","$U_к$","$E_п$"],"answer":0},"fill_choice-73":{"type":"fill_choice","options":["$U_п$","$E_к$","$U_к$","$mgh$"],"answer":1},"fill_choice-92":{"type":"fill_choice","options":["$U_к$","$U_п$","$E_п$","$E_мех$"],"answer":2}}}]}

Свойства внутренней энергии

• Внутренняя энергия зависит от температуры тела, агрегатного состояния вещества, химических и ядерных реакций
• Внутренняя энергия тела не зависит от механического движения тела и положения этого тела относительно других тел

Например, если мы поднимем карандаш над столом, то мы не изменяем его внутреннюю энергию. Почему? Расстояние между молекулами у карандаша не изменяется — не изменяется потенциальная энергия молекул. Не изменяется его температура — не изменяется средняя кинетическая энергия его молекул.

• Любое тело при любых условиях обладает внутренней энергией

Таким образом, тело иногда может обладать и внутренней энергией, и механической. Примером будет служить любое движущееся тело, растянутая пружина, тело, поднятое на какую-то высоту. То есть, тело может не обладать механической энергией. Примером может послужить любое неподвижное тело на поверхности Земли. Но при этом такое тело обязательно будет иметь запас внутренней энергии.

{"questions":[{"content":"От чего <b>зависит</b> и <b>не зависит</b> внутренняя энергия тела?[[grouper-2]]","widgets":{"grouper-2":{"type":"grouper","labels":["Зависит от...","Не зависит от..."],"items":[["температуры тела","агрегатного состояния тела","химических и ядерных реакций"],["механического движения тела","положения тела относительно других тел"]]}}}]}

Первый закон термодинамики

Термодинамика — это раздел физики который имеет дело с энергией и работой системы. Термодинамика занимается только широкомасштабный ответ системы, которую мы можем наблюдать и измерить в опытах. Мелкомасштабные газовые взаимодействия описывается кинетической теорией газов. Есть три основных законы термодинамики, которые описаны на отдельных слайдах. Каждый Закон приводит к определению термодинамические свойства которые помогают нам понять и предсказать работу физического система. Приведем несколько простых примеров этих законов и свойства для различных физических систем, хотя нас больше всего интересует термодинамика двигательные установки и потоки с высокой скоростью. К счастью, многие из классические примеры термодинамики включают газовую динамику. По нашим наблюдениям за проделанной работой, или газом, мы нашли, что количество работ зависит не только на начальное и конечное состояния газа но также и в процессе или пути, который создает конечное состояние. Точно так же количество теплоты, переданное в или от газа также зависит от начального и конечного состояний и процесс , который производит конечное состояние. Многие наблюдения за реальным газах показали, что разница теплового потока в газ а работа, совершаемая газом, зависит только от начального и конечного состояния газа и делает не зависит от процесса или пути который производит конечное состояние. Это говорит о существовании дополнительная переменная, называемая внутренней энергией газа, которое зависит только от состояния газа, а не от какого-либо процесса. Внутренняя энергия является переменной состояния, точно так же, как температура или давление. Первый закон термодинамики определяет внутреннюю энергия (E) равна разнице теплопередачи (Q) в система и выполненная работа (W) на система. E2 — E1 = Q — W Мы подчеркнули слова «в» и «по» в определении. Тепло, отводимое от системы в уравнении ставится отрицательный знак. Аналогично работают выполнено в системе присваивается отрицательный знак. Внутренняя энергия — это такая же форма энергии, как и потенциальная. энергия объекта на некоторой высоте над землей, или кинетическая энергия движущегося объекта. Точно так же потенциальная энергия может быть преобразована в кинетическую энергию с сохранением полной энергии системы, внутренняя энергия термодинамической системы может быть преобразуется либо в кинетическую, либо в потенциальную энергию. Нравится потенциал энергия, внутренняя энергия может запасаться в системе. Заметьте, однако, что тепло и работа не может быть сохранена или сохранена независимо, поскольку они зависят на процессе. Первый закон термодинамики допускает многие Возможные состояния системы существуют, но только определенные состояния обнаружено существование в природе. второй закон термодинамики помогает объяснить это наблюдение. Если система полностью изолирована от внешней среды, возможно изменение состояния, при котором теплота не передается система. Ученые называют процесс, в котором не участвует тепло. перевод как адиабатический процесс. Реализация первого закона термодинамики для газов вводится еще один полезная переменная состояния, называемая энтальпией который описан на отдельной странице. Экскурсии с гидом Термодинамика: Деятельность: Связанные сайты: Rocket Index Ракетный дом Дом для начинающих

Внутренняя энергия — Химия LibreTexts

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

Идентификатор страницы

1955

Внутренняя энергия системы отождествляется со случайным, неупорядоченным движением молекул; полная (внутренняя) энергия в системе включает потенциальную и кинетическую энергию. Это контрастирует с внешней энергией, которая является функцией образца по отношению к внешней среде (например, кинетическая энергия, если образец движется, или потенциальная энергия, если образец находится на высоте от земли и т. д.). Символ изменения внутренней энергии — \(ΔU\).

Энергия в меньшем масштабе

• Внутренняя энергия включает энергию в микроскопическом масштабе
• Это сумма всех микроскопических энергий, таких как:
  1. поступательная кинетическая энергия
  2. колебательная и вращательная кинетическая энергия
  3. потенциальная энергия межмолекулярных сил

Пример
Один грамм воды при нуле градусов по Цельсию по сравнению с одним граммом меди при нуле градусов по Цельсию НЕ имеют одинаковую внутреннюю энергию, потому что, хотя их кинетические энергии равны, вода имеет гораздо более высокую потенциальную энергию, что приводит к тому, что ее внутренняя энергия намного больше. чем внутренняя энергия меди.

Уравнения внутренних изменений энергии

Первый закон термодинамики

ΔU = Q+W

, где Q — это нагрев, а В. — . или работать со своим окружением, делая изменение внутренней энергии равным нулю.

ΔU _{изолированный системный} = 0

Энергия сохраняется

ΔU _{Система} = — ΔU _Округа

. При признаках внутренней энергии

40404141,

. это означает, что тепло поглощается , q>0 . Таким образом выполняется работа на системе, w>0

• Энергия выход система ОТРИЦАТЕЛЬНЫЙ (-) , что означает, что тепло отдается системой, q<0 и работа совершается системой, w<0
• Так как Δ U _{изолированная система} = 0, ΔU _{система} = -ΔU _{окружение} и энергия сохраняется .