Vidite kako raketa polijeće. Ona radi posao - podiže astronaute i teret. Kinetička energija rakete se povećava, jer kako se diže, raketa dobija sve veću brzinu. Povećava se i potencijalna energija rakete, kako se sve više uzdiže iznad Zemlje. Dakle, zbir ovih energija, tj mehanička energija rakete se takođe povećava.

Sjećamo se da kada tijelo radi, njegova energija se smanjuje. Međutim, raketa radi, ali njena energija se ne smanjuje, već se povećava! Koje je rješenje kontradikcije? Ispostavilo se da osim mehaničke energije postoji još jedna vrsta energije - unutrašnja energija. To je zbog smanjenja unutrašnje energije goriva koje proizvodi raketa mehanički rad i, štaviše, povećava svoju mehaničku energiju.

Ne samo zapaljiv, ali takođe vruće tijela imaju unutrašnju energiju koja se lako može pretvoriti u mehanički rad. Hajde da napravimo eksperiment. Uteg zagrijemo u kipućoj vodi i stavimo ga na limenu kutiju pričvršćenu na manometar. Kako se zrak u kutiji zagrije, tekućina u manometru će se početi kretati (vidi sliku).

Vazduh koji se širi radi na tečnosti. Kakva energija se to dešava? Naravno, zbog unutrašnje energije težine. Stoga, u ovom iskustvu posmatramo transformacija unutrašnje energije tijela u mehanički rad. Imajte na umu da se mehanička energija utega u ovom eksperimentu ne mijenja - uvijek je jednaka nuli.

dakle, unutrašnja energija- to je takva energija tijela, zbog koje se može izvršiti mehanički rad, a da pritom ne uzrokuje smanjenje mehaničke energije ovog tijela.

Unutrašnja energija svakog tijela ovisi o mnogim razlozima: vrsti i stanju njegove tvari, masi i temperaturi tijela i drugim. Sva tijela posjeduju unutrašnju energiju: velika i mala, topla i hladna, čvrsta, tečna i gasovita.

Najlakše se za potrebe čovjeka mogu iskoristiti samo unutrašnja energija, slikovito rečeno, vruće i zapaljive tvari i tijela. To su nafta, gas, ugalj, geotermalni izvori u blizini vulkana i tako dalje. Osim toga, u 20. vijeku čovjek je naučio da koristi unutrašnju energiju takozvanih radioaktivnih supstanci. To su, na primjer, uranijum, plutonijum i drugi.

Pogledajte desnu stranu dijagrama. U popularnoj literaturi se često spominju termička, hemijska, električna, atomska (nuklearna) i druge vrste energije. Svi su oni, u pravilu, vrste unutrašnje energije, jer se zbog njih mehanički rad može izvoditi bez gubitka mehaničke energije. Pojam unutrašnje energije ćemo detaljnije razmotriti u daljem proučavanju fizike.

Ako pumpate u teglu debelih zidova zatvorenu čepom, čije je dno prekriveno vodom, nakon nekog vremena čep iz tegle će izletjeti i u tegli će se stvoriti magla. Čep je izleteo iz limenke, jer je vazduh koji se tamo nalazio na nju delovao određenom silom. Vazduh kada je utikač izleteo je obavio posao. Poznato je da tijelo može raditi ako ima energije. Shodno tome, vazduh u limenci ima energiju.

Kada je vazduh radio, temperatura mu je pala, njegovo stanje se promenilo. U isto vrijeme, mehanička energija zraka se nije promijenila: ni njegova brzina ni položaj u odnosu na Zemlju. Posljedično, posao nije obavljen na račun mehaničke, već na račun druge energije. Ova energija je unutrašnja energija vazduha u tegli.

Unutrašnja energija tijelo je zbir kinetičke energije kretanja njegovih molekula i potencijalne energije njihove interakcije. Kinetička energija ( Ek) molekule posjeduju, budući da su u pokretu, i potencijalnu energiju ( Ep) dok su u interakciji. Unutrašnja energija je označena slovom U... Jedinica unutrašnje energije je 1 džul (1 J). U = Ek + En.

Načini promjene unutrašnje energije

Što je veća brzina kretanja molekula, to je viša tjelesna temperatura, dakle i unutrašnja energija zavisi od telesne temperature ... Da biste prešli tvar iz čvrstog u tekuće stanje, na primjer, da biste led pretvorili u vodu, morate joj opskrbiti energiju. Shodno tome, voda će imati više unutrašnje energije od leda iste mase, a samim tim i unutrašnje energije zavisi od stanja agregacije tijela .

Unutrašnja energija se može mijenjati kada radite posao ... Ako čekićem udarite nekoliko puta u komad olova, čak i na dodir možete reći da će se komad olova zagrijati. Posljedično se povećala njegova unutrašnja energija, kao i unutrašnja energija čekića. To se dogodilo jer se radilo na komadu olova.

Ako tijelo samo radi rad, tada se njegova unutrašnja energija smanjuje, a ako se radi na njemu, onda se njegova unutrašnja energija povećava.

Ako se topla voda ulije u čašu hladne vode, temperatura tople vode će pasti, a temperatura hladne vode porasti. U razmatranom primjeru se ne vrši mehanički rad, mijenja se unutrašnja energija tijela prijenos topline, o čemu svjedoči smanjenje njegove temperature.

Molekuli tople vode imaju veću kinetičku energiju od molekula hladne vode. Ova energija molekula tople vode se u sudarima prenosi na molekule hladne vode, a kinetička energija molekula hladne vode raste. U tom slučaju kinetička energija molekula tople vode opada.

Prijenos topline To je način promjene unutrašnje energije tijela pri prijenosu energije s jednog dijela tijela na drugi ili s jednog tijela na drugo bez obavljanja posla.

Unutrašnja energija je energija kretanja i interakcije molekula.

Kinetička energija svih molekula koji čine tijelo i potencijalna energija njihove interakcije su unutrašnja energija tela.

Kada se tijelo zaustavi, mehaničko kretanje prestaje, ali se nasumično (toplinsko) kretanje njegovih molekula povećava. Mehanička energija pretvara u unutrašnju energiju tijela

Unutrašnja energijazavisi od telesne temperature, stanja agregacije i drugih faktora.

Unutrašnja energija tela ne zavisi ni od mehaničkog kretanja tela, ni od položaja ovog tela u odnosu na druga tela.

Ako uzmemo u obzir kinetičku i potencijalna energija jedan molekul, onda je to vrlo mala vrijednost, jer je masa molekula mala. Budući da tijelo sadrži mnogo molekula, unutrašnja energija tijela, jednaka zbiru energija svih molekula, bit će velika.

Načini promjene unutrašnje energije

Kako temperatura raste, unutrašnja energija tijela raste, jer se povećava prosječna brzina kretanja molekula ovog tijela. Naprotiv, sa smanjenjem temperature unutrašnja energija tijela se smanjuje.

iskustvo: ako zagrijete bocu gumenim čepom, čep će nakon nekog vremena izletjeti.

Dakle, unutrašnja energija tijela mijenja se promjenom brzine kretanja molekula.

Unutrašnja energija se može menjati na dva načina:

1) obavljanje mehaničkih poslova. Unutrašnja energija se povećava ako se radi na tijelu, a smanjuje se ako tijelo radi.

2) prenosom toplote (provođenje toplote, konvekcija, zračenje). Ako tijelo odaje toplinu, unutrašnja energija se smanjuje, a ako prima toplinu, onda se povećava.

Vrste prijenosa topline. Eksperimenti koji ilustruju vrste prenosa toplote. Prijenos topline u prirodi, tehnologiji, mehanici.

Prijenos topline (prijenos topline)- Ovo je proces promene unutrašnje energije koji se dešava bez obavljanja posla.

1)

Toplotna provodljivost - vrsta prijenosa topline, u kojoj se energija prenosi s jednog tijela na drugo pri kontaktu ili s jednog njegovog dijela na drugi. Različite tvari imaju različitu toplinsku provodljivost. Toplotna provodljivost je visoka za metale, manja za tečnosti, a niska za gasove. Kod toplotne provodljivosti nema prijenosa materije.

2) Konvekcija- vrsta prenosa toplote, u kojoj se energija prenosi mlazovima gasa i tečnosti. Postoje dvije vrste konvekcije: prirodna i prisilna. U čvrstim tijelima nema konvekcije, jer njihove čestice nemaju veliku pokretljivost. Mnoge manifestacije konvekcije mogu se naći u prirodi i ljudskom životu. Konvekcija se takođe koristi u mašinstvu.

3) Zračenje - vrsta prijenosa topline u kojoj se energija prenosi elektromagnetnim valovima. Tijela sa tamnom površinom apsorbiraju i emituju energiju bolje od tijela sa svijetlom površinom. Ovo se koristi u praksi.

* Prilikom razmjene toplote, količina isporučene toplote je po modulu jednaka količini primljene toplote, ili je njihov zbir jednak nuli. Ovo se zove nivo toplotne ravnoteže.

Sva makroskopska tijela oko nas imaju čestice: atome ili molekule. Budući da su u stalnom kretanju, oni istovremeno poseduju dve vrste energije: kinetičku i potencijalnu i formiraju unutrašnju energiju tela:

U = ∑ E k + ∑ E p

Ovaj koncept također uključuje energiju međusobne interakcije elektrona, protona, neutrona.

Da li je moguće promijeniti unutrašnju energiju

Postoje 3 načina da ga promijenite:

• zbog procesa prijenosa topline;
• obavljanjem mehaničkih radova;
• provođenjem hemijskih reakcija.

Razmotrimo sve opcije detaljnije.

Ako rad obavlja samo tijelo, tada će se njegova unutrašnja energija početi smanjivati, a kada se radi na tijelu, njegova unutrašnja energija će se povećavati.

Najjednostavniji primjeri povećanja energije su slučajevi paljenja vatre trenjem:

• korištenje tindera;
• korištenjem kremena;
• koristeći šibice.

Toplotni procesi povezani s promjenama temperature također su praćeni promjenama unutrašnje energije. Ako zagrijete tijelo, njegova energija će se povećati.

Rezultat kemijskih reakcija je transformacija tvari koje se međusobno razlikuju po strukturi i sastavu. Na primjer, u procesu sagorijevanja goriva, nakon spajanja vodika s kisikom, nastaje ugljični monoksid. Kada se hlorovodonična kiselina spoji sa cinkom, oslobađa se vodonik, a kao rezultat sagorevanja vodika, oslobađa se vodena para.

Unutrašnja energija tijela također će se promijeniti zbog prijelaza elektrona iz jedne elektronske ljuske u drugu.

Energija tijela - ovisnost i karakteristike

Unutrašnja energija je karakteristika toplotnog stanja tela. Zavisi od:

• agregatno stanje i promjene tokom ključanja i isparavanja, kristalizacije ili kondenzacije, topljenja ili sublimacije;
• tjelesna težina;
• tjelesna temperatura, koja karakterizira kinetičku energiju čestica;
• vrsta supstance.

Unutrašnja energija jednoatomskog idealnog gasa

Ova energija se u idealnom slučaju sastoji od kinetičke energije svake čestice, koja se kreće nasumično i neprekidno, i potencijalne energije njihove interakcije unutar određenog tijela. To se događa zbog promjene temperature, što potvrđuju i Jouleovi eksperimenti.

Da biste izračunali unutrašnju energiju jednoatomskog gasa, koristite jednačinu:

Pri čemu će se, ovisno o promjeni temperature, unutrašnja energija mijenjati (povećati s povećanjem temperature, a opadati sa smanjenjem temperature). Unutrašnja energija je funkcija stanja.

Unutrašnja energija bilo kojeg tijela povezana je s kretanjem i stanjem čestica (molekula, atoma) tvari. Ako je poznata ukupna energija tela, onda se unutrašnja energija može naći tako što se iz ukupnog kretanja celog tela kao makroskopskog objekta izuzme, kao i energija interakcije ovog tela sa potencijalna polja.

Takođe, unutrašnja energija sadrži energiju vibracija molekula i potencijalnu energiju međumolekulske interakcije. Ako dolazi o idealnom gasu, kinetička komponenta daje glavni doprinos unutrašnjoj energiji. Ukupna unutrašnja energija jednaka je zbiru energija pojedinih čestica.

Kao što znate, kinetička energija translacionog kretanja materijalne tačke, koja simulira česticu materije, snažno zavisi od brzine njenog kretanja. Također je vrijedno napomenuti da energija vibracijskih i rotacijskih pokreta ovisi o njihovom intenzitetu.

Prisjetite se iz kursa molekularne fizike formule za unutrašnju energiju idealnog jednoatomnog plina. Izražava se kao zbir kinetičkih komponenti svih čestica gasa, koji se mogu usrednjavati. Usrednjavanje po svim česticama dovodi do eksplicitne zavisnosti unutrašnje energije od temperature tela, kao i od broja stepeni slobode čestica.

Konkretno, za jednoatomski idealni gas, čije čestice imaju samo tri stepena slobode translacionog kretanja, ispostavlja se da je unutrašnja energija direktno proporcionalna tri sekunde proizvoda Boltzmannove konstante i temperature.

Temperaturna zavisnost

Dakle, unutrašnja energija tijela zapravo odražava kinetičku energiju kretanja čestica. Da bi se razumjelo kakav je odnos date energije sa temperaturom, potrebno je odrediti fizičko značenje vrijednosti temperature. Ako zagrijete posudu napunjenu plinom i koja ima pokretne zidove, tada će se njen volumen povećati. To sugerira da se pritisak iznutra povećao. Pritisak plina nastaje udarom čestica na stijenke posude.

Kada je pritisak povećan, to znači da se povećala i sila udara, što ukazuje na povećanje brzine kretanja molekula. Dakle, povećanje temperature plina dovelo je do povećanja brzine kretanja molekula. To je suština vrijednosti temperature. Sada postaje jasno da povećanje temperature, što dovodi do povećanja brzine kretanja čestica, povlači za sobom povećanje kinetičke energije unutarmolekulskog kretanja, a time i povećanje unutrašnje energije.