Внутренняя энергия

В механике различают два вида энергии: кинетическую и потенциальную. Но когда говорят об этих видах энергии, то обычно приводят примеры крупных, заметных глазу тел: движущегося поезда, летящего футбольного мяча, поднятого камня. Привыкнув связывать представление об энергии с подобными примерами, довольно трудно бывает перейти к явлениям в мире микрочастиц. Однако движение происходит и во внутреннем мире тела. Так, еще М. В. Ломоносов писал: «Нельзя также отрицать движение там, где глаз его не видит. Кто будет отрицать, что движутся листья и ветви в лесу при сильном ветре, хотя издали он не заметит никакого движения. Как здесь из-за отдаленности, так и в горячих телах, вследствие малости частичек вещества, движение скрывается от взоров.»

А вот выдержка из трудов известного английского физика и химика Роберта Бойля: «Когда кузнец поспешно выковывает гвоздь или какую-нибудь вещь из железа, металл при этом необыкновенно сильно нагревается, и так как здесь, кроме сильных ударов молотка, ничего особенного не происходит, то эти удары приводят частицы железа в движение; железо, будучи предварительно холодным, делается теплым благодаря внутренним движениям частиц». И дальше: «При вколачивании гвоздя в дерево шляпка его только после большого числа ударов молотка немного нагревается. Но когда гвоздь вбит, то достаточно нескольких ударов, чтобы сильно нагреть шляпку. Действительно, в первом случае каждый удар молотка вгоняет гвоздь в дерево, производя, таким образом, поступательное движение всего гвоздя по известному направлению. Во втором случае, когда движение гвоздя прекратилось, эти удары, не будучи способны ни к тому, чтобы дальше вгонять гвоздь, ни к тому, чтобы разбить его на части, идут только на то, чтобы приводить в движение частицы гвоздя, а это движение и составляет сущность теплоты.»

Молекулы находятся в движении, т. е. обладают кинетической энергией. Между молекулами действуют силы взаимного притяжения и отталкивания; молекулы обладают и потенциальной энергией. Подсчитать энергию этого беспорядочного движения огромного множества частиц, а тем более учесть потенциальную энергию каждой из них и всех в целом невозможно, однако ясно, что все эти внутренние движения и внутренние силы слагаются в какую-то общую сумму, с которой мы и связываем понятие внутренней энергии тела. Внутренней энергией тела называют, таким образом, сумму кинетической и потенциальной энергии его частиц. Измерить можно лишь изменение внутренней энергии, а не всю энергию тела.

Изменение внутренней энергии происходит, например, при нагревании тела. При этом энергия передается от горячего тела холодному.

Другой пример изменения внутренней энергии — изменение агрегатного состояния вещества. При плавлении (отвердевании) и испарении (конденсации) температура тела не изменяется. Температура льда во время плавления остается 0°C и в том случае, когда сосуд со льдом стоит на горячей плите; вода при нормальном атмосферном давлении кипит при 100°C, и эта температура во время кипения не изменяется. Поскольку температура тела не изменилась, следовательно, не изменилась и кинетическая энергия молекул льда и воды. Подводимая к ним извне энергия превратилась во внутреннюю потенциальную энергию, зависящую от расположения молекул и расстояния между ними.

Изменить состояние вещества можно и без затраты теплоты. Укрепите на столе использованный ружейный патрон, налейте в него воды и закупорьте пробкой (рис. 113). Обмотав патрон несколько раз веревкой, начинайте тянуть веревку за концы то в одну, то в другую сторону. Через некоторое время вода в патроне нагреется, закипит и пар выбросит пробку. В этом примере была затрачена механическая энергия.

В том, что вода обладает большей энергией, чем лед, их которого она образовалась, а пар — большей энергией по сравнению с водой, легко убедиться, определив количество энергии, выделяющейся в процессе затвердевания тела или конденсации пара. Если взять воду при 0°С и пытаться ее охлаждать, то можно заметить, что температура ее меняться не будет, пока вся вода не превратится в лед. Количество энергии, выделяющейся при отвердевании, или, как говорят, количество теплоты, равно 385 Дж на 1 г.

При конденсации 1 г пара при 100°C выделяется количество теплоты, равное 2555 Дж. Теплота, выделяемая при конденсации, играет огромную роль в природе. Когда атмосферный воздух насыщен парами, то при небольшом понижении температуры легко образуется роса и выделяющаяся при этом теплота парообразования, равна 2555 кДж/кг, предохраняет воздух от дальнейшего охлаждения.

Понятие энергии относится всегда к системе тел или частиц тела. Нельзя считать, что потенциальной энергией может обладать какое-нибудь одно тело или одна частица без связи с другими телами и с другими частицами. Нельзя говорить о потенциальной энергии камня безотносительно к Земле. Неверно также полагать, что летящий мяч или снаряд обладает кинетической энергией сам по себе, а не по отношению к какому-нибудь телу. При всяком изменении формы или объема тела изменяется внутренняя энергия тела. Если при этом не изменяется температура (кинетическая энергия частиц), то изменяется потенциальная энергия частиц тела. Обычно одновременно изменяются и кинетическая, и потенциальная энергия частиц тела.

Потенциальная энергия частиц тела изменяется не только при плавлении и парообразовании, но и при раскалывании твердого тела и измельчении в порошок. Затраченная энергия расходуется на разрыв связей между молекулами, т. е. энергия передается ограниченному числу молекул.

Некоторое сходство с этим можно усмотреть в растяжении упругой пружины: энергия, затраченная на преодоление упругих сил, преобразуется в потенциальную энергию частиц растянутой пружины. Точно так же и разъединенные частицы измельченного тела обладают большей потенциальной энергией.

Энергия частиц измельченного тела используется в технике в ряде явлений, объединяемых общим названием «сорбция». Разорванные внутренние связи создают так называемое «силовое поле поверхности». За счет энергии этого поля происходит активация угля, улавливание таких дорогих растворителей, как ацетон, эфир, процесс флотации (обогащение руд).

Вот несколько вопросов для самопроверки.

1. Во время падения камня с некоторой высоты на землю общая сумма потенциальной и кинетической энергии в любой точке пути остается постоянной. Куда девалась эта энергия, когда камень оказался на земле?
2. Шар, наполненный водородом, поднялся на некоторую высоту и там сгорел. Откуда берется энергия для подъема шара и куда она девается в случае его сгорания?
3. Кусок цинка подвешен на нити в стакане с серной кислотой. Через некоторое время цинк растворился. Куда делась его потенциальная энергия?

В заключение посоветуем прочитать в книге «Занимательная механика» Я. Перельмана статью об «энергии растворенной пружины» - она поможет вам разобраться в поставленных вопросах.

Конечно, энергия сгоревшего шара, растворенного цинка, растворенной пружины не могла исчезнуть. Но где она?