Vidíte štartovať raketu. Robí prácu – dvíha astronautov a náklad. Kinetická energia rakety sa zvyšuje, keďže raketa pri stúpaní naberá stále väčšiu rýchlosť. Zvyšuje sa aj potenciálna energia rakety, ako stúpa stále vyššie nad Zem. Preto súčet týchto energií, tzn zvyšuje sa aj mechanická energia rakety.

Pamätáme si, že keď telo pracuje, jeho energia klesá. Raketa však skutočne funguje, no jej energia neklesá, ale rastie! Aké je riešenie rozporu? Ukazuje sa, že okrem mechanickej energie existuje aj iný typ energie - vnútornej energie. Je to kvôli zníženiu vnútornej energie horiaceho paliva, ktoré raketa vytvára mechanická práca a navyše zvyšuje svoju mechanickú energiu.

Nie len horľavý, ale tiež horúce telesá majú vnútornú energiu, ktorú možno ľahko premeniť na mechanickú prácu. Urobme experiment. Vo vriacej vode zohrejeme závažie a položíme na plechovú škatuľu pripevnenú k tlakomeru. Keď sa vzduch v boxe zahreje, kvapalina v manometri sa začne pohybovať (pozri obrázok).

Expandujúci vzduch pôsobí na kvapalinu. Aký druh energie sa to deje? Samozrejme kvôli vnútornej energii závažia. Preto v tejto skúsenosti pozorujeme premena vnútornej energie tela na mechanickú prácu. Všimnite si, že mechanická energia závažia sa v tomto experimente nemení – vždy sa rovná nule.

takze vnútornej energie- je to taká energia telesa, vďaka ktorej je možné vykonávať mechanickú prácu, pričom nespôsobuje zníženie mechanickej energie tohto telesa.

Vnútorná energia každého tela závisí od mnohých dôvodov: od druhu a stavu jeho látky, hmotnosti a teploty tela a ďalších. Všetky telesá majú vnútornú energiu: veľké a malé, horúce a studené, pevné, kvapalné a plynné.

Najjednoduchšie sa pre potreby človeka dajú využiť len vnútorné energie, obrazne povedané, horúce a horľavé látky a telá. Ide o ropu, plyn, uhlie, geotermálne pramene v blízkosti sopiek a pod. Okrem toho sa človek v 20. storočí naučil využívať vnútornú energiu rádioaktívnych látok tzv. Ide napríklad o urán, plutónium a iné.

Pozrite sa na pravú stranu diagramu. V populárnej literatúre sa často spomínajú tepelné, chemické, elektrické, atómové (jadrové) a iné druhy energie. Všetky sú spravidla rôznymi druhmi vnútornej energie, pretože vďaka nim možno vykonávať mechanickú prácu bez straty mechanickej energie. Pojem vnútornej energie sa budeme podrobnejšie zaoberať v ďalšom štúdiu fyziky.

Ak načerpáte do hrubostennej nádoby uzavretej korkom, ktorej dno je pokryté vodou, po chvíli korok z nádoby vyletí a v nádobe sa vytvorí hmla. Korok vyletel z plechovky, pretože vzduch, ktorý tam bol, naň pôsobil určitou silou. Vzduch, keď zástrčka vyletela, to urobil. Je známe, že telo dokáže pracovať, ak má energiu. V dôsledku toho má vzduch v plechovke energiu.

Keď vzduch fungoval, jeho teplota klesla, jeho skupenstvo sa zmenilo. Zároveň sa nezmenila mechanická energia vzduchu: nezmenila sa ani jeho rýchlosť, ani poloha voči Zemi. V dôsledku toho bola práca vykonaná nie na úkor mechanickej, ale na úkor inej energie. Táto energia je vnútorná energia vzduchu v banke.

Vnútorná energia teleso je súčet kinetickej energie pohybu jeho molekúl a potenciálnej energie ich interakcie. Kinetická energia ( Ek) molekuly majú, keďže sú v pohybe, a potenciálnu energiu ( Ep) pri interakcii. Vnútorná energia je označená písmenom U... Jednotkou vnútornej energie je 1 joule (1 J). U = Eк + En.

Spôsoby zmeny vnútornej energie

Čím väčšia je rýchlosť pohybu molekúl, tým vyššia je telesná teplota, teda vnútorná energia závisí od telesnej teploty ... Ak chcete látku preniesť z pevného do kvapalného stavu, napríklad na premenu ľadu na vodu, musíte jej dodať energiu. V dôsledku toho bude mať voda viac vnútornej energie ako ľad rovnakej hmotnosti, a teda aj vnútornej energie závisí od stavu agregácie tela .

Vnútornú energiu je možné meniť pri vykonávaní práce ... Ak niekoľkokrát udriete kladivom na kus olova, potom aj hmatom môžete zistiť, že sa kus olova zahreje. V dôsledku toho sa zvýšila jeho vnútorná energia, ako aj vnútorná energia kladiva. Stalo sa to preto, lebo sa pracovalo na kuse olova.

Ak telo robí prácu samo, potom jeho vnútorná energia klesá a ak sa na ňom pracuje, tak jeho vnútorná energia stúpa.

Ak horúcu vodu nalejete do pohára studenej vody, teplota horúcej vody klesne a teplota studenej vody sa zvýši. V uvažovanom príklade sa nevykonáva mechanická práca, vnútorná energia telies sa mení o prenos tepla, o čom svedčí zníženie jeho teploty.

Molekuly horúcej vody majú väčšiu kinetickú energiu ako molekuly studenej vody. Táto energia molekúl horúcej vody sa pri zrážkach prenáša na molekuly studenej vody a kinetická energia molekúl studenej vody sa zvyšuje. V tomto prípade sa kinetická energia molekúl horúcej vody znižuje.

Prenos tepla Je to spôsob zmeny vnútornej energie tela pri prenose energie z jednej časti tela do druhej alebo z jedného tela do druhého bez vykonania práce.

Vnútorná energia je energia pohybu a interakcie molekúl.

Kinetická energia všetkých molekúl, ktoré tvoria telo, a potenciálna energia ich interakcie sú vnútornej energie tela.

Keď sa teleso zastaví, mechanický pohyb sa zastaví, ale náhodný (tepelný) pohyb jeho molekúl sa zvýši. Mechanická energia sa mení na vnútornú energiu tela

Vnútorná energiazávisí od telesnej teploty, stavu agregácie a iných faktorov.

Vnútorná energia telesa nezávisí ani od mechanického pohybu telesa, ani od polohy tohto telesa voči iným telesám.

Ak vezmeme do úvahy kinetické a potenciálna energia jedna molekula, potom je to veľmi malá hodnota, pretože hmotnosť molekuly je malá. Keďže telo obsahuje veľa molekúl, vnútorná energia tela, ktorá sa rovná súčtu energií všetkých molekúl, bude veľká.

Spôsoby zmeny vnútornej energie

Keď teplota stúpa, vnútorná energia telesa sa zvyšuje, pretože priemerná rýchlosť pohybu molekúl tohto telesa sa zvyšuje. Naopak, s klesajúcou teplotou vnútorná energia tela klesá.

Skúsenosť: ak nahrejete fľašu s gumenou zátkou, korok po chvíli vyletí.

Vnútorná energia telesa sa teda mení so zmenou rýchlosti pohybu molekúl.

Vnútornú energiu je možné meniť dvoma spôsobmi:

1) robiť mechanickú prácu. Vnútorná energia sa zvyšuje, ak sa na tele pracuje, a klesá, ak telo pracuje.

2) prenosom tepla (vedenie tepla, prúdenie, sálanie). Ak telo vydáva teplo, vnútorná energia klesá a ak teplo prijíma, zvyšuje sa.

Druhy prenosu tepla. Experimenty ilustrujúce typy prenosu tepla. Prenos tepla v prírode, technika, mechanika.

Prenos tepla (prenos tepla)- Toto je proces zmeny vnútornej energie, ku ktorému dochádza bez vykonávania práce.

1)

Tepelná vodivosť - druh prenosu tepla, pri ktorom sa energia prenáša z jedného telesa na druhé pri kontakte alebo z jednej jeho časti do druhej. Rôzne látky majú rôznu tepelnú vodivosť. Tepelná vodivosť je vysoká pre kovy, nižšia pre kvapaliny a nízka pre plyny. Pri tepelnej vodivosti nedochádza k prenosu hmoty.

2) Konvekcia- druh prenosu tepla, pri ktorom sa energia prenáša prúdmi plynu a kvapaliny. Existujú dva typy konvekcie: prirodzené a nútené. V pevných látkach nedochádza ku konvekcii, pretože ich častice nemajú veľkú pohyblivosť. V prírode a ľudskom živote možno nájsť mnoho prejavov konvekcie. Konvekcia sa používa aj v strojárstve.

3) Žiarenie - druh prenosu tepla, pri ktorom sa energia prenáša elektromagnetickým vlnením. Telesá s tmavým povrchom absorbujú a vyžarujú energiu lepšie ako telesá so svetlým povrchom. Toto sa používa v praxi.

* Pri výmene tepla sa množstvo dodaného tepla modulovo rovná množstvu prijatého tepla, alebo sa ich súčet rovná nule. Toto sa nazýva úroveň tepelnej bilancie.

Všetky makroskopické telesá okolo nás majú častice: atómy alebo molekuly. Keďže sú v neustálom pohybe, majú súčasne dva druhy energie: kinetickú a potenciálnu a tvoria vnútornú energiu tela:

U = ∑ Е k + ∑ Е p

Tento pojem zahŕňa aj energiu vzájomnej interakcie elektrónov, protónov, neutrónov.

Je možné zmeniť vnútornú energiu

Existujú 3 spôsoby, ako to zmeniť:

• v dôsledku procesu prenosu tepla;
• vykonávaním mechanickej práce;
• uskutočňovaním chemických reakcií.

Zvážme všetky možnosti podrobnejšie.

Ak prácu vykonáva telo samo, jeho vnútorná energia sa začne znižovať a keď sa na tele pracuje, jeho vnútorná energia sa zvyšuje.

Najjednoduchšími príkladmi zvýšenia energie sú prípady zapálenia trením:

• pomocou tinderu;
• pomocou pazúrika;
• pomocou zápaliek.

Tepelné procesy spojené so zmenami teploty sú sprevádzané aj zmenami vnútornej energie. Ak teleso zohrejete, jeho energia sa zvýši.

Výsledkom chemických reakcií je premena látok, ktoré sa navzájom líšia štruktúrou a zložením. Napríklad v procese spaľovania paliva po zlúčení vodíka s kyslíkom vzniká oxid uhoľnatý. Keď sa kyselina chlorovodíková spojí so zinkom, uvoľní sa vodík a v dôsledku spaľovania vodíka sa uvoľní vodná para.

Vnútorná energia tela sa tiež zmení v dôsledku prechodu elektrónov z jedného elektrónového obalu do druhého.

Energia telies - závislosť a charakteristiky

Vnútorná energia je charakteristická pre tepelný stav tela. Záleží to na:

• stav agregácie a zmeny počas varu a vyparovania, kryštalizácie alebo kondenzácie, topenia alebo sublimácie;
• telesná hmotnosť;
• telesná teplota, ktorá charakterizuje kinetickú energiu častíc;
• druh látky.

Vnútorná energia monatomického ideálneho plynu

Táto energia v ideálnom prípade pozostáva z kinetických energií každej častice, ktorá sa náhodne a nepretržite pohybuje, a z potenciálnej energie ich interakcie v rámci konkrétneho telesa. Deje sa tak v dôsledku zmeny teploty, čo potvrdzujú Jouleho experimenty.

Na výpočet vnútornej energie monatomického plynu použite rovnicu:

Kde sa v závislosti od zmeny teploty bude meniť vnútorná energia (s rastúcou teplotou rastie a s klesajúcou teplotou klesá). Vnútorná energia je funkciou stavu.

Vnútorná energia akéhokoľvek telesa je spojená s pohybom a stavom častíc (molekúl, atómov) látky. Ak je známa celková energia tela, potom možno vnútornú energiu nájsť vylúčením z celkového pohybu celého tela ako makroskopického objektu, ako aj energie interakcie tohto tela s potenciálne polia.

Vnútorná energia tiež obsahuje vibračnú energiu molekúl a potenciálnu energiu medzimolekulovej interakcie. Ak prichádza o ideálnom plyne, kinetická zložka tvorí hlavný príspevok k vnútornej energii. Celková vnútorná energia sa rovná súčtu energií jednotlivých častíc.

Ako viete, kinetická energia translačného pohybu hmotného bodu, ktorý simuluje časticu hmoty, silne závisí od rýchlosti jej pohybu. Za zmienku tiež stojí, že energia vibračných a rotačných pohybov závisí od ich intenzity.

Pripomeňme si z kurzu molekulovej fyziky vzorec pre vnútornú energiu ideálneho monatomického plynu. Vyjadruje sa ako súčet kinetických zložiek všetkých častíc plynu, ktoré možno spriemerovať. Spriemerovanie cez všetky častice vedie k explicitnej závislosti vnútornej energie od teploty telesa, ako aj od počtu stupňov voľnosti častíc.

Najmä pre monatomický ideálny plyn, ktorého častice majú iba tri stupne voľnosti translačného pohybu, sa vnútorná energia ukáže byť priamo úmerná tretiemu trojnásobku súčinu Boltzmannovej konštanty a teploty.

Teplotná závislosť

Takže vnútorná energia tela v skutočnosti odráža kinetickú energiu pohybu častíc. Aby sme pochopili, aký je vzťah danej energie s teplotou, je potrebné určiť fyzikálny význam hodnoty teploty. Ak ohrievate nádobu naplnenú plynom s pohyblivými stenami, jej objem sa zväčší. To naznačuje, že tlak vo vnútri sa zvýšil. Tlak plynu vzniká nárazom častíc na steny nádoby.

Akonáhle sa tlak zvýši, znamená to, že sa zvýšila aj sila nárazu, čo naznačuje zvýšenie rýchlosti pohybu molekúl. Zvýšenie teploty plynu teda viedlo k zvýšeniu rýchlosti pohybu molekúl. To je podstata hodnoty teploty. Teraz je zrejmé, že zvýšenie teploty, ktoré vedie k zvýšeniu rýchlosti pohybu častíc, má za následok zvýšenie kinetickej energie intramolekulárneho pohybu, a teda zvýšenie vnútornej energie.