Внутренняя энергия

Введение

Мир вокруг нас наполнен движением и изменениями. Капля дождя падает, мотор работает, металл нагревается, человек бежит — всё это проявления энергии.
Понимание того, как энергия возникает, передаётся и преобразуется, помогает объяснить многие явления природы и технику, созданную человеком.

В 7 классе мы изучаем механическую энергию, внутреннюю энергию и узнаём, как они взаимосвязаны.

Энергия — это физическая величина, показывающая способность тела или системы тел совершать работу.
Если тело может поднять груз, сдвинуть предмет, нагреть воду или вызвать какое-либо другое изменение — значит, оно обладает энергией.

Энергия существует во множестве форм: механическая, тепловая, электрическая, химическая, световая и другие.
При различных процессах энергия не исчезает и не появляется из ничего, а лишь переходит из одного вида в другой. Это одно из важнейших положений физики — закон сохранения энергии.

Виды механической энергии

Механическая энергия — это энергия, связанная с движением тел и их положением относительно других тел.
Она бывает двух основных видов:

1. Кинетическая энергия — энергия движения тела.

   ​

   Она зависит от массы m и скорости v. Чем быстрее движется тело, тем больше его кинетическая энергия.

   Примеры: летящий мяч, движущийся автомобиль, бегущий человек.

2. Потенциальная энергия — энергия, определяемая положением тела или взаимодействием тел.
   Для тела, поднятого над Землёй:

   
   

   где m — масса, g — ускорение свободного падения, h — высота.

   Примеры: сжатая пружина, камень на вершине, натянутая тетива лука.

Взаимные превращения механических энергий

Механическая энергия может переходить из одного вида в другой.
Например, при движении маятника:

• В верхней точке — вся энергия потенциальная.

• При движении вниз — потенциальная превращается в кинетическую.

• В нижней точке — энергия в основном кинетическая.

При отсутствии потерь сумма потенциальной и кинетической энергии остаётся постоянной — это проявление закона сохранения энергии.

Введение понятия внутренней энергии

Каждое тело состоит из множества мельчайших частиц — молекул.
Молекулы непрерывно движутся и взаимодействуют, поэтому обладают кинетической энергией движения и потенциальной энергией взаимодействия.

Внутренняя энергия тела — это сумма кинетических и потенциальных энергий всех частиц, из которых состоит тело.

Она не зависит от движения тела как целого, а определяется только состоянием вещества — температурой, агрегатным состоянием и его строением.

Связь между внутренней энергией тела и температурой

Температура показывает, насколько быстро двигаются молекулы вещества.
Чем выше температура, тем больше их средняя кинетическая энергия, а значит — больше и внутренняя энергия тела.

Примеры:

• При нагревании воды её молекулы движутся быстрее — внутренняя энергия увеличивается.

• При охлаждении воздуха движение молекул замедляется — внутренняя энергия уменьшается.

Взаимосвязь внутренней энергии с различными типами процессов

Внутренняя энергия может изменяться двумя способами:

1. Путём совершения механической работы
   При сжатии газа в цилиндре поршнем молекулы начинают двигаться быстрее, их столкновения учащаются — внутренняя энергия увеличивается.

2. Путём теплопередачи (теплообмена)
   Если один конец металлического стержня нагреть, то энергия постепенно передаётся от нагретых участков к холодным.

Таким образом, изменение внутренней энергии всегда связано либо с совершением работы, либо с передачей тепла.

Примеры превращений энергий

• При трении рук часть механической энергии переходит во внутреннюю — руки нагреваются.

• Электрический ток в чайнике превращается во внутреннюю энергию воды.

• При торможении автомобиля кинетическая энергия переходит в тепловую.

Выводы

1. Энергия — мера способности тела совершать работу.

2. Существует два основных вида механической энергии: кинетическая и потенциальная.

3. Они могут переходить друг в друга.

4. Внутренняя энергия зависит от движения и взаимодействия молекул.

5. При нагревании внутренняя энергия увеличивается, при охлаждении — уменьшается.

6. Энергия не исчезает, а только превращается из одного вида в другой.

Вопросы для самопроверки

1. Что такое энергия?

2. Какие существуют виды механической энергии?

3. От чего зависит кинетическая энергия тела?

4. Какая энергия появляется при поднятии груза над землёй?

5. Приведи пример превращения потенциальной энергии в кинетическую.

6. Что называют внутренней энергией тела?

7. Как связаны температура и внутренняя энергия?

8. Какими способами можно изменить внутреннюю энергию тела?

9. Что происходит с внутренней энергией газа при его сжатии?

10. Приведи примеры превращения механической энергии во внутреннюю.