§ 25. Внутренняя энергия макроскопической системы

Понятие внутренней энергии

1. Понятие внутренней энергии вам известно из курса физики основной школы. Вспомним его. Макроскопические тела состоят из движущихся и взаимодействующих частиц: молекул, атомов, ионов. В свою очередь, атомы и ядра атомов тоже состоят из движущихся и взаимодействующих частиц.

Как вам известно, движущиеся тела обладают кинетической энергией, следовательно, частицы вещества тоже обладают кинетической энергией.

Взаимодействующие тела обладают потенциальной энергией. Поскольку частицы вещества взаимодействуют между собой, то они обладают потенциальной энергией.

Следовательно, частицы, из которых состоят макроскопические тела, обладают кинетической и потенциальной энергией, их сумма и есть внутренняя энергия макроскопической системы.

Внутренней энергией U макроскопической системы называют физическую величину, равную сумме кинетической энергии движения составляющих его частиц (молекул, атомов, ионов) и потенциальной энергии их взаимодействия.

Единицей внутренней энергии, как и механической энергии, в СИ является джоуль (Дж).

К внутренней энергии относят и энергию движения и взаимодействия частиц, входящих в состав атомов и ядер вещества. Однако в молекулярной физике имеют дело с процессами, которые происходят при не слишком высоких температурах и не связаны с превращением вещества. В этих процессах внутриатомная и внутриядерная энергия не изменяется.

Внутренняя энергия тела зависит от его состояния, т. е. является функцией состояния, и определяется однозначно параметрами р, V, Т. Это значит, что тело, находясь в состоянии с данными значениями параметров, имеет одно и только одно значение внутренней энергии. При изменении состояния тела изменяется значение внутренней энергии.

Как вам известно, кинетическая энергия тела прямо пропорциональна квадрату его скорости. Поскольку молекулы имеют разные скорости и, следовательно, разные кинетические энергии, то их совокупность характеризуется средней кинетической энергией, которая прямо пропорциональна среднему квадрату скорости движения молекул:

средней кинетической энергией

Так как температура тела прямо пропорциональна средней кинетической энергии составляющих его частиц, то внутренняя энергия тела зависит от его температуры и об изменении внутренней энергии можно судить по изменению температуры тела.

Внутренняя энергия тела зависит и от его агрегатного состояния. Так, она больше у стоградусного пара, чем у воды такой же массы при той же температуре. Это объясняется различием потенциальных энергий взаимодействия молекул пара и воды.

На значение внутренней энергии влияет и деформация тела: она больше у деформированного тела, чем у недеформированного.

Следует иметь в виду, что внутренняя энергия тела не зависит от его движения как целого и от его положения в пространстве. Так, значения внутренней энергии у шарика, лежащего на полу и поднятого на некоторую высоту, одинаковы при одинаковых прочих условиях (температуре, деформации и пр.).

Напомним, что параметрами состояния макроскопической системы являются давление, объём и температура. Теперь к ним можно добавить и внутреннюю энергию. Внутренняя энергия так же, как температура, давление и объём, характеризует состояние системы.

Продолжение >>>