Тело и его частицы
Меняй температуру, число частиц и положение тела. Раздели изменение внутреннего состояния и перемещение тела как целого.
Схему можно прокрутить вбок. Все значения повторены в расчёте ниже.
Качественная модель одного вещества без фазовых переходов. Стрелки показывают интенсивность движения, не точную скорость. Изменение высоты само по себе не меняет внутреннее состояние.
Два масштаба описания
Рассматривая летящий мяч как целое, мы говорим о его кинетической энергии. Если мяч поднят над землёй, учитываем потенциальную энергию взаимодействия мяча и Земли. Это механическое описание: оно относится к движению тела и его положению относительно других тел.
Внутри мяча находится огромное число частиц. Они движутся беспорядочно и взаимодействуют друг с другом. Сумма кинетических энергий теплового движения частиц и потенциальных энергий их взаимодействия называется внутренней энергией тела. Её обозначают U и измеряют в джоулях.
| Уровень | Что учитываем | Пример |
|---|---|---|
| Тело как целое | Скорость и положение | Полёт мяча |
| Частицы тела | Тепловое движение и взаимодействие | Нагретая резина |
Внутренняя энергия относится к частицам тела, а не к движению тела целиком.
Есть ли внутренняя энергия у неподвижного предмета?
Да. Неподвижность предмета не означает прекращения теплового движения его частиц. Чтобы описать это движение, не требуется перемещение предмета по комнате.
Температура и движение частиц
Частицы имеют разные скорости: нельзя приписать каждой одну и ту же скорость, соответствующую температуре. При повышении температуры возрастает средняя кинетическая энергия их теплового движения. Поэтому при нагревании данного тела без изменения состояния его внутренняя энергия обычно увеличивается.
Температура не равна внутренней энергии. Ведро тёплой воды может иметь больший запас внутренней энергии, чем капля горячей воды. Сравнивать полную энергию только по температуре нельзя: важны количество вещества, его вид и агрегатное состояние.
Нагревание
Возрастает температура
Микромир
В среднем интенсивнее движение частиц
Результат
Увеличивается внутренняя энергия
Температура характеризует тепловое состояние, но не определяет полную энергию без других данных.
Почему нельзя сказать: «вдвое горячее — вдвое больше U»?
Шкала Цельсия имеет условный ноль. Кроме того, U содержит энергию взаимодействия частиц, зависит от массы и состояния; простая пропорция температур в °C здесь неприменима.
Модель молекулы воды H₂O
Молекула — структурная модель: внутреннюю энергию определяет движение и взаимодействие множества частиц.
Sakurambo; уточнение Plenz · Общественное достояние · Источник. Без изменений.
Изображение временно недоступно. Ссылка на источник находится выше.
Жидкостный термометр
Термометр измеряет температуру, а не полный запас внутренней энергии тела.
Rama · CC BY-SA 3.0 fr · Источник. Без изменений.
Изображение временно недоступно. Ссылка на источник находится выше.
Зачем учитывать взаимодействие
В твёрдом теле частицы колеблются около положений равновесия. В жидкости расположение соседей постепенно меняется, но взаимодействие остаётся существенным. При плавлении энергия поступает в вещество даже тогда, когда его температура сохраняется.
Изменяется характер взаимного расположения частиц и потенциальная составляющая внутренней энергии. В достаточно разреженном газе взаимодействием между молекулами в простой модели пренебрегают, однако это приближение нельзя переносить на жидкости и твёрдые тела.
Твёрдое тело
Колебания и устойчивое расположение соседей
Жидкость
Подвижные соседи, существенное взаимодействие
Разреженный газ
Большие расстояния; взаимодействием часто пренебрегают
Изменение внутренней энергии возможно без изменения температуры.
Что происходит с U плавящегося льда при 0 °C?
Если лёд получает теплоту и плавится при постоянном давлении, его внутренняя энергия увеличивается. Постоянство температуры не означает отсутствия передачи энергии.
Сравнение с понятными условиями
Для корректного сравнения сначала выясни, что осталось одинаковым. У двух порций одного вещества в одинаковом состоянии и при одинаковой температуре большая масса соответствует большей внутренней энергии при одном выборе её отсчёта. У одной порции изменение U удобно определять по переданной энергии.
В модели меняй число условных частиц и температуру по отдельности. Рост числа точек обозначает увеличение количества вещества. Стрелки движения иллюстрируют изменение средней интенсивности теплового движения, а не реальные размеры молекул.
1. Выдели тело
Что именно сравниваем?
2. Уточни условия
Масса, вещество, состояние и температура
3. Раздели описания
Движение тела целиком и движение его частиц
При сравнении внутренней энергии необходимо учитывать массу, вещество, температуру и состояние.
Упала книга: обязательно ли вся её энергия стала внутренней энергией книги?
Нет. Энергия распределяется между книгой, полом, воздухом и звуковыми колебаниями. Для энергетического баланса важно определить, какие тела входят в систему.
Шесть выводов
Тест · 10 вопросовОдин правильный ответ в каждом вопросе
Сначала изучи модель и конспект. За каждый верный ответ — 0,5 балла, максимум — 5. После проверки откроются пояснения.
Учебный источник и иллюстрации
Основа: предоставленный учебник «Физика, 8 класс», § 1. Тема и содержание сверены с файлом «8 класс. Физика — § 01. Внутренняя энергия.pdf». Объяснения, расчётные примеры и модели подготовлены для этого конспекта. Дополнительные зависимости в моделях отмечены отдельно.
Изображения загружаются непосредственно из интернета. Авторство и лицензии указаны под каждой иллюстрацией. Число частиц, размеры и цвета учебных схем условны.