Глава четвертая. Внутренняя энергия

§ 23. Понятие о внутренней энергии

Энергия тела в любом состоянии измеряется всей работой, которую оно может совершить, и количеством теплоты, которое оно может отдать при данных условиях. Изменение механических параметров тела (скорости, координат) связано с совершением работы, в частности самим телом. Но есть параметры, которые характеризуют внутреннее его состояние (р, V, t°). Будет ли тело совершать работу или отдавать количество теплоты, если будут изменяться эти его параметры?

Нагреем газ, находящийся в цилиндре под поршнем (рис. 25). Происходит изменение параметров внутреннего состояния газа: температура и объем увеличиваются. При этом газ совершает работу по поднятию поршня. Нагретое тело опустим в холодную воду. Температура ее повышается. При этом нагретое тело, изменив свои параметры (t° и V), отдает воде некоторое количество теплоты. Из наблюдений и подобных опытов был сделан вывод: при изменении внутреннего состояния тело может совершать работу и отдавать количество теплоты, значит, оно обладает энергией. Энергия тела, обусловленная его внутренним состоянием, называется внутренней энергией.

Рис. 25. К понятию внутренней энергии

В каждом состоянии тело обладает лишь одним значением внутренней энергии. При изменении внутреннего состояния изменяется и внутренняя энергия тела, и если тело возвращается в исходное состояние, его внутренняя энергия принимает первоначальное значение. Параметры внутреннего состояния (р, V, t°) есть величины статистического характера, полученные из молекулярно-кинетической теории.

Причиной того, что тело обладает внутренней энергией, является движение и взаимодействие молекул. И на самом деле, каждая молекула, находясь в движении, обладает кинетической энергией, а за счет сил молекулярного взаимодействия - еще и запасом потенциальной энергии. В тепловых явлениях под внутренней энергией подразумевается сумма потенциальной и кинетической энергий молекул тела. В том, что тело обладает внутренней энергией, нас убеждают и такие факты: молекулы совершают работу над броуновскими частицами, над поршнем двигателя, поднимают жидкость в капилляре.

Между молекулами идеального газа нет сил молекулярного взаимодействия, поэтому они не обладают потенциальной энергией взаимодействия. Внутренняя энергия идеального газа складывается из кинетической энергии его молекул. Средняя кинетическая энергия поступательного движения одной молекулы идеального одноатомного газа

Один киломоль газа содержит количество молекул, равное числу Авогадро N_A, поэтому внутренняя энергия U поступательного движения 1 кмоля газа будет

Постоянная Больцмана отсюда произведение N_A k = R (универсальной газовой постоянной). Тогда формула внутренней энергии 1 кмоля запишется:

Если газ взят в количестве киломолей, то внутренняя энергия поступательного движения молекул одноатомного газа будет

Внутренняя энергия данной массы идеального газа зависит только от его температуры. Для твердых тел, жидкостей и реальных газов внутренняя энергия зависит от температуры, массы,, объема, агрегатного состояния и рода вещества. (Приведите примеры, подтверждающие это.)

Внутренняя энергия используется для совершения работы и получения количества теплоты. Работа и полученное количество теплоты всегда равны изменению внутренней энергии тела. Поэтому расчеты использованной внутренней энергии есть подсчет изменения внутренней энергии тела.

Энергия тела может быть изменена двумя способами: в процессе работы или в процессе теплопередачи, причем механическая энергия может измениться при совершении работы над телом или самим телом, а внутренняя - в результате работы и теплопередачи.