Из чего складывается внутренняя энергия
Молекулы в теле непрерывно движутся и взаимодействуют друг с другом. Внутренняя энергия складывается из двух частей:
- Кинетическая — энергия хаотического теплового движения молекул. Растёт при нагреве.
- Потенциальная — энергия взаимодействия молекул (притяжения и отталкивания). Зависит от расстояния между ними.
В идеальном газе молекулы не взаимодействуют на расстоянии, поэтому потенциальной части нет, и внутренняя энергия зависит только от температуры.
Формула для идеального газа
- i — число степеней свободы молекулы (для одноатомного газа i = 3, двухатомного i = 5)
- ν — количество молей вещества
- R = 8,314 Дж/(моль·К) — универсальная газовая постоянная
- T — абсолютная температура, К
При нагревании 1 моля одноатомного газа на 1 К его внутренняя энергия растёт на (3/2)R ≈ 12,5 Дж.
Первое начало термодинамики
Изменить внутреннюю энергию тела можно только двумя способами:
Здесь Q — теплота, полученная телом, A — работа, совершённая над телом (внешними силами). Если тело само совершает работу A', то A = −A'. Это закон сохранения энергии для термодинамических процессов.
Примеры изменения внутренней энергии
- Нагрев на плите — теплота Q увеличивает U.
- Сжатие газа насосом — работа A увеличивает U (газ нагревается).
- Расширение газа в вакууме — A = 0, Q = 0, U не меняется (газ не остывает).
- Трение — механическая энергия превращается во внутреннюю (тело нагревается).
Внутренняя энергия и температура: не одно и то же
Температура — мера средней кинетической энергии одной молекулы. Внутренняя энергия — суммарная энергия всех молекул. Горячая чашка воды и холодное ведро воды: у чашки температура выше, но у ведра — больше внутренняя энергия (молекул несравнимо больше).
