Внутренняя энергия

Мы знаем, что существуют два вида механической энергии: кинетическая и потенциальная. Кинетической энергией тела обладают вследствие своего движения, потенциальной — вследствие своего взаимодействия с другими телами.

Изучая механические явления, мы узнали, что кинетическая и потенциальная энергии могут превращаться друг в друга. Примеры такого превращения можно найти в § 15 и 18.
Рассмотрим еще один пример. Предположим, что на свинцовой плите лежит свинцовый шар. Поднимем его вверх и отпустим (рис. 59, а). Когда мы подняли шар, то сообщили ему потенциальную энергию. При падении шара она уменьшается, так как шар опускается все ниже и ниже. Но с увеличением скорости постепенно увеличивается кинетическая энергия шара. Происходит превращение потенциальной энергии тела в кинетическую. Но вот шар ударился о свинцовую плиту и остановился (рис. 59, б). И кинетическая, и потенциальная энергии его относительно плиты в этот момент стали равными нулю.

Означает ли это, что энергия, которой обладал до этого шар, бесследно исчезла? Нет, не означает. Рассматривая шар и плиту после удара, мы увидим, что их состояние изменилось: шар немного сплющился и на плите образовалась небольшая вмятина; измерив же их температуру, мы обнаружим, что они нагрелись.

Но мы уже знаем, что при нагревании происходит увеличение средней кинетической энергии молекул тела. Молекулы обладают также и потенциальной энергией: ведь они взаимодействуют друг с другом — притягиваются, а при очень тесном сближении отталкиваются друг от друга. При деформации изменяется взаимное расположение частиц тела, поэтому изменяется и их потенциальная энергия.

Таким образом, мы можем утверждать, что в результате удара шара о плиту происходит изменение как кинетической, так и потенциальной энергии частиц этих тел. Это означает, что механическая энергия, которой обладал в начале опыта шар, не исчезла бесследно: она перешла в энергию молекул.

Энергию движения и взаимодействия частиц, из которых состоит тело, называют внутренней энергией тела.

U — внутренняя энергия.

Тепловое движение молекул никогда не прекращается. Поэтому любое тело всегда обладает какой-то внутренней энергией.

Изучение тепловых явлений показывает, что на сколько в них уменьшается механическая энергия тел, на столько же увеличивается их внутренняя энергия. Полная же энергия тел, равная сумме их механической и внутренней энергий, при любых процессах остается неизменной. В этом заключается закон сохранения энергии, распространенный на тепловые явления.

Энергия не возникает из ничего и не исчезает бесследно. Она может лишь переходить из одного вида в другой, сохраняя свое полное (общее) значение. Так, например, при взлете ракеты происходит превращение внутренней энергии сгорающего топлива в механическую энергию оболочки ракеты; при возникновении ветра внутренняя энергия нагретого воздуха превращается в кинетическую энергию движущихся воздушных масс и т. д.

Одним из первых, кто обратил внимание на взаимопревращаемость различных видов энергии, был немецкий ученый Юлиус Роберт Майер (1814—1878). В 1838 г. он защитил диссертацию на степень доктора медицины и через два года в качестве корабельного врача отправился в плавание на остров Яву. Во время плавания он задумался над тем, почему после сильной бури вода в море всегда оказывается теплее, чем до нее. А прибыв на остров, Майер обратил внимание на непривычно яркий цвет крови у матросов, которых он лечил. В северных широтах кровь у людей имела иной, более темный оттенок. Возникал вопрос: почему? Эта проблема настолько увлекла Майера, что больше он ни о чем не думал. В письме своему другу он потом написал: «Я с такой любовью ухватился за работу, что мало интересовался — над чем иной может посмеяться — той далекой частью света; охотнее всего я оставался на борту, где я мог беспрепятственно отдаваться своей работе и где я в некоторые часы чувствовал себя как бы вдохновленным и ни раньше, ни позже ничего подобного, насколько помню, не переживал».

Размышляя о процессах, происходящих в человеческом организме (в зависимости от температурных условий, в которых находится человек), и энергии, выделяющейся в нем при «сгорании» пищи, Майер в конце концов открыл один из самых фундаментальных законов физики — закон сохранения и превращения энергии.

1. Какие превращения энергии происходят при подъеме и падении шара? 2. Как изменяется состояние свинцового шара и плиты в результате их соударения? 3. В какую энергию превращается механическая энергия шара при его ударе о плиту? 4. Какую энергию называют внутренней энергией тела? 5. В чем заключается закон сохранения энергии, распространенный на тепловые явления? 6. Может ли тело обладать механической энергией, но не иметь при этом внутренней энергии? 7. Может ли тело обладать внутренней энергией, но не иметь при этом механической энергии? Приведите примеры. 8. Каким превращением энергии обусловлено нагревание морской воды после бури?