Виждате излитаща ракета. Тя върши работата – вдига космонавтите и товара. Кинетичната енергия на ракетата се увеличава,тъй като докато се издига, ракетата придобива все по-голяма скорост. Потенциалната енергия на ракетата също се увеличава,като се издига все по-високо над Земята. Следователно сумата от тези енергии, т.е механичната енергия на ракетата също се увеличава.

Помним, че когато тялото работи, енергията му намалява. Ракетата обаче работи, но енергията й не намалява, а се увеличава! Какво е решението на противоречието? Оказва се, че освен механична енергия, има и друг вид енергия - вътрешна енергия.Дължи се на намаляването на вътрешната енергия на горящото гориво, което произвежда ракетата механична работаи освен това увеличава механичната си енергия.

Не само запалими, но също горещотелата имат вътрешна енергия, която лесно може да се преобразува в механична работа. Да направим експеримент. Загряваме тежест във вряща вода и я поставяме върху тенекиена кутия, прикрепена към манометър. Когато въздухът в кутията се затопли, течността в манометъра ще започне да се движи (виж фигурата).

Разширяващият се въздух действа върху течността. Каква енергия се случва това? Разбира се, поради вътрешната енергия на тежестта. Следователно в този опит ние наблюдаваме преобразуване на вътрешната енергия на тялото в механична работа.Имайте предвид, че механичната енергия на тежестта в този експеримент не се променя - тя винаги е равна на нула.

Така, вътрешна енергия- това е такава енергия на тялото, поради която може да се извършва механична работа, като същевременно не се намалява механичната енергия на това тяло.

Вътрешната енергия на всяко тяло зависи от много причини: вида и състоянието на неговото вещество, масата и температурата на тялото и др. Всички тела притежават вътрешна енергия: голяма и малка, топла и студена, твърда, течна и газообразна.

Най-лесно за нуждите на човек могат да се използват само вътрешна енергия, образно казано, горещи и запалими вещества и тела. Това са нефт, газ, въглища, геотермални извори в близост до вулкани и т.н. Освен това през 20-ти век човекът се научи да използва вътрешната енергия на така наречените радиоактивни вещества. Това са например уран, плутоний и др.

Обърнете внимание на дясната страна на диаграмата. В популярната литература често се споменават топлинна, химическа, електрическа, атомна (ядрена) и други видове енергия. Всички те, като правило, са разновидности на вътрешна енергия, тъй като благодарение на тях може да се извършва механична работа, без да се причинява загуба на механична енергия. Ще разгледаме концепцията за вътрешна енергия по-подробно в по-нататъшното изучаване на физиката.

Ако изпомпвате в буркан с дебели стени, затворен с тапа, чието дъно е покрито с вода, след известно време тапата от буркана ще излети и в буркана ще се образува мъгла. Коркът излетя от кутията, защото въздухът, който беше там, действаше върху него с определена сила. Въздухът, когато щепселът излетя, свърши работата. Известно е, че тялото може да върши работа, ако има енергия. Следователно въздухът в кутията има енергия.

Когато въздухът работи, температурата му падна, състоянието му се промени. В същото време механичната енергия на въздуха не се промени: нито скоростта му, нито положението му спрямо Земята не се промениха. Следователно работата е извършена не за сметка на механична, а за сметка на друга енергия. Тази енергия е вътрешната енергия на въздуха в буркана.

Вътрешна енергиятялото е сумата от кинетичната енергия на движението на неговите молекули и потенциалната енергия на тяхното взаимодействие. Кинетична енергия ( Ек) молекулите притежават, тъй като са в движение, и потенциална енергия ( еп), докато взаимодействат. Вътрешната енергия се обозначава с буквата У... Единицата за вътрешна енергия е 1 джаул (1 Дж). U = Eк + En.

Начини за промяна на вътрешната енергия

Колкото по-голяма е скоростта на движение на молекулите, толкова по-висока е телесната температура, следователно вътрешната енергия зависи от телесната температура ... За да прехвърлите вещество от твърдо състояние в течно състояние, например, за да превърнете леда във вода, трябва да му подадете енергия. Следователно водата ще има повече вътрешна енергия от леда със същата маса и следователно вътрешна енергия зависи от състоянието на агрегиране на тялото .

Вътрешната енергия може да бъде променена когато вършите работа ... Ако ударите парче олово няколко пъти с чук, тогава дори с докосване можете да разберете, че парчето олово ще се нагрее. Следователно, неговата вътрешна енергия, както и вътрешната енергия на чука, се увеличава. Това се случи, защото се работеше върху парче олово.

Ако тялото върши работата само, тогава вътрешната му енергия намалява, а ако се работи върху него, тогава вътрешната му енергия се увеличава.

Ако гореща вода се излее в чаша студена вода, температурата на горещата вода ще спадне, а температурата на студената вода ще се повиши. В разглеждания пример не се извършва механична работа, вътрешната енергия на телата се променя пренос на топлина, което се доказва от понижаване на температурата му.

Молекулите на горещата вода имат повече кинетична енергия от молекулите на студената вода. Тази енергия на молекулите на горещата вода се прехвърля към молекулите на студената вода при сблъсъци и кинетичната енергия на молекулите на студената вода се увеличава. В този случай кинетичната енергия на молекулите на горещата вода намалява.

Пренос на топлинаТова е начин за промяна на вътрешната енергия на тялото при прехвърляне на енергия от една част на тялото в друга или от едно тяло на друго, без да се извършва работа.

Вътрешна енергияе енергията на движението и взаимодействието на молекулите.

Кинетичната енергия на всички молекули, които изграждат тялото, и потенциалната енергия на тяхното взаимодействие са вътрешна енергия на тялото.

Когато тялото спре, механичното движение спира, но произволното (топлинно) движение на неговите молекули се увеличава. Механична енергиясе превръща във вътрешна енергия на тялото

Вътрешна енергиязависи от телесната температура, агрегатното състояние и други фактори.

Вътрешната енергия на тялото не зависи нито от механичното движение на тялото, нито от положението на това тяло спрямо други тела.

Ако разгледаме кинетичните и потенциална енергияедна молекула, то това е много малка стойност, тъй като масата на молекулата е малка. Тъй като тялото съдържа много молекули, вътрешната енергия на тялото, равна на сумата от енергиите на всички молекули, ще бъде голяма.

Начини за промяна на вътрешната енергия

С повишаване на температурата вътрешната енергия на тялото се увеличава, тъй като средната скорост на движение на молекулите на това тяло се увеличава. Напротив, с понижаване на температурата вътрешната енергия на тялото намалява.

Опит:ако загреете бутилка с гумена запушалка, след известно време тапата ще излети.

По този начин вътрешната енергия на тялото се променя с промяна в скоростта на движение на молекулите.

Вътрешната енергия може да се промени по два начина:

1) извършване на механична работа. Вътрешната енергия се увеличава, ако се извършва работа върху тялото, и намалява, ако тялото работи.

2) чрез пренос на топлина (топлопроводимост, конвекция, излъчване). Ако тялото отделя топлина, тогава вътрешната енергия намалява, а ако получава топлина, тогава се увеличава.

Видове пренос на топлина. Експерименти, илюстриращи видовете пренос на топлина. Пренос на топлина в природата, технологията, механиката.

Пренос на топлина (пренос на топлина)- Това е процес на промяна на вътрешната енергия, който протича без извършване на работа.

1)

Топлопроводимост - вид топлопренос, при който енергията се прехвърля от едно тяло на друго при контакт или от една част от него към друга. Различните вещества имат различна топлопроводимост. Топлопроводимостта е висока за метали, по-ниска за течности и ниска за газове. При топлопроводимост няма пренос на материя.

2) Конвекция- вид топлопренос, при който енергията се пренася от струи газ и течност. Има два вида конвекция: естествена и принудителна. В твърдите тела няма конвекция, тъй като техните частици нямат голяма подвижност. Много прояви на конвекция могат да бъдат намерени в природата и човешкия живот. Конвекцията се използва и в инженерството.

3) Радиация - вид топлопренос, при който енергията се пренася от електромагнитни вълни. Телата с тъмна повърхност абсорбират и излъчват енергия по-добре от телата със светла повърхност. Това се използва на практика.

* По време на топлообмен количеството подадена топлина е равно по модул на количеството получена топлина или тяхната сума е равна на нула. Това се нарича ниво на топлинен баланс.

Всички макроскопични тела около нас имат частици: атоми или молекули. Тъй като са в постоянно движение, те едновременно притежават два вида енергия: кинетична и потенциална и образуват вътрешната енергия на тялото:

U = ∑ Е k + ∑ Е п

Тази концепция включва и енергията на взаимодействие един с друг на електрони, протони, неутрони.

Възможно ли е да се промени вътрешната енергия

Има 3 начина да го промените:

• поради процеса на топлопреминаване;
• чрез извършване на механична работа;
• чрез провеждане на химични реакции.

Нека разгледаме всички опции по-подробно.

Ако работата се извършва от самото тяло, тогава вътрешната му енергия ще започне да намалява, а когато се извърши работа върху тялото, вътрешната му енергия ще се увеличи.

Най-простите примери за увеличаване на енергията са случаите на запалване на огън чрез триене:

• използване на тиндер;
• използване на кремък;
• с помощта на кибрит.

Топлинните процеси, свързани с промените в температурата, също са придружени от промени във вътрешната енергия. Ако загреете тяло, енергията му ще се увеличи.

Резултатът от химичните реакции е превръщането на вещества, които се различават едно от друго по структура и състав. Например, в процеса на изгаряне на гориво, след комбиниране на водород с кислород, се образува въглероден окис. Когато солната киселина се комбинира с цинк, ще се отдели водород и в резултат на горенето на водорода ще се отделят водни пари.

Вътрешната енергия на тялото също ще се промени поради прехода на електрони от една електронна обвивка в друга.

Енергия на телата – зависимост и характеристики

Вътрешната енергия е характеристика на топлинното състояние на тялото. Зависи от:

• агрегатно състояние и промени по време на кипене и изпаряване, кристализация или кондензация, топене или сублимация;
• телесно тегло;
• телесна температура, която характеризира кинетичната енергия на частиците;
• вид вещество.

Вътрешна енергия на едноатомния идеален газ

Тази енергия в идеалния случай се състои от кинетичните енергии на всяка частица, която се движи произволно и непрекъснато, и потенциалната енергия на тяхното взаимодействие в рамките на определено тяло. Това се случва поради промяна в температурата, което се потвърждава от експериментите на Джоул.

За да изчислите вътрешната енергия на едноатомния газ, използвайте уравнението:

Където, в зависимост от промяната на температурата, вътрешната енергия ще се промени (увеличава се с повишаване на температурата и намалява с понижаване на температурата). Вътрешната енергия е функция на състоянието.

Вътрешната енергия на всяко тяло е свързана с движението и състоянието на частиците (молекули, атоми) на дадено вещество. Ако общата енергия на тялото е известна, тогава вътрешната енергия може да се намери, като се изключи от общото движение на цялото тяло като макроскопичен обект, както и енергията на взаимодействието на това тяло с потенциални полета.

Също така вътрешната енергия съдържа енергията на вибрациите на молекулите и потенциалната енергия на междумолекулното взаимодействие. Ако идваза идеален газ, кинетичният компонент има основния принос за вътрешната енергия. Общата вътрешна енергия е равна на сумата от енергиите на отделните частици.

Както знаете, кинетичната енергия на транслационното движение на материална точка, която симулира частица материя, силно зависи от скоростта на нейното движение. Също така си струва да се отбележи, че енергията на вибрационните и ротационните движения зависи от тяхната интензивност.

Припомнете си от курса на молекулярната физика формулата за вътрешната енергия на идеалния едноатомен газ. Изразява се чрез сбора от кинетичните компоненти на всички газови частици, които могат да бъдат осреднени. Осредняването по всички частици води до явна зависимост на вътрешната енергия от температурата на тялото, както и от броя на степените на свобода на частиците.

По-специално, за едноатомен идеален газ, чиито частици имат само три степени на свобода на транслационно движение, вътрешната енергия се оказва право пропорционална на третото трикратно произведение на константата на Болцман и температурата.

Температурна зависимост

И така, вътрешната енергия на тялото всъщност отразява кинетичната енергия на движението на частиците. За да се разбере каква е връзката на дадена енергия с температурата, е необходимо да се определи физическият смисъл на стойността на температурата. Ако загреете съд, пълен с газ и с подвижни стени, тогава обемът му ще се увеличи. Това предполага, че налягането вътре се е увеличило. Налягането на газа се създава от удара на частици върху стените на съда.

След като налягането се е увеличило, това означава, че се е увеличила и силата на удара, което показва увеличаване на скоростта на движение на молекулите. По този начин повишаването на температурата на газа доведе до увеличаване на скоростта на движение на молекулите. Това е същността на стойността на температурата. Сега става ясно, че повишаването на температурата, водещо до увеличаване на скоростта на движение на частиците, води до увеличаване на кинетичната енергия на вътрешномолекулното движение и следователно увеличаване на вътрешната енергия.