Внутренняя энергия и работа в термодинамике

1. Внутренняя энергия

Внутренняя энергия (U) — это энергия, которой обладают частицы вещества за счёт их движения и взаимодействия.

Она включает:

• кинетическую энергию движения молекул;

• потенциальную энергию их взаимодействия.

Важно: внутренняя энергия зависит от температуры, агрегатного состояния и строения вещества.

Например:

• при нагревании тела скорость движения молекул увеличивается → внутренняя энергия растёт;

• при охлаждении — уменьшается.

Для идеального газа внутренняя энергия зависит только от температуры:

где  — количество вещества,  — газовая постоянная,  — температура.

2. Способы изменения внутренней энергии

Внутреннюю энергию можно изменить двумя способами:

1. Теплопередача (Q)

Передача энергии от одного тела к другому без совершения работы.

Виды теплопередачи:

• теплопроводность (например, нагрев ложки в чае);

• конвекция (движение жидкости или газа);

• излучение (передача энергии в виде волн).

2. Совершение работы (A)

Если над телом совершают работу или тело само совершает её, его внутренняя энергия изменяется.

3. Работа газа

Работа в термодинамике связана с изменением объёма газа.

Если газ расширяется, он совершает работу:

• поршень движется вверх;
• газ передаёт энергию внешней среде.

Если газ сжимается, работа совершается над газом.

Формула работы газа:

где:

•  — давление газа,
•  — изменение объёма.

Графически работа определяется как площадь под графиком на диаграмме .

4. Первый закон термодинамики

Связь между внутренней энергией, теплотой и работой выражает первый закон термодинамики:

Это означает:

• полученное тепло идёт на изменение внутренней энергии и на работу.

Частные случаи:

• если , всё тепло идёт на нагрев (например, в закрытом сосуде);
• если , процесс происходит без теплообмена (адиабатический процесс).

5. Примеры из жизни

• Двигатель автомобиля: топливо сгорает → увеличивается внутренняя энергия → газ совершает работу.

• Насос: при сжатии газа увеличивается его температура.

• Кипячение воды: тепло увеличивает внутреннюю энергию до момента кипения.

---

Вопросы для самопроверки

1. Что входит во внутреннюю энергию вещества?

2. От каких факторов зависит внутренняя энергия?

3. Назовите два способа изменения внутренней энергии.

4. Когда газ совершает работу?

5. Запишите первый закон термодинамики и объясните его смысл.

6. Приведите пример, когда работа совершается над газом.