Внутренняя энергия

Первоначально люди считали, что в каждом теле содержится некоторое количество теплорода. Чем его больше, тем тело горячее. Кроме того, его количество можно увеличить, приведя данное тело в соприкосновение с более горячим. Однако, если коснуться более холодного тела, теплород будет отдаваться ему. Так в физику пришли понятия «количество тепла», «получить тепло», «теплоемкость». Однако, нагреть тело можно иначе. Совершая над телом механическую работу. Вот здесь и появились серьезные сомнения в теории теплорода. Видя, как закипает вода (охладитель) во время высверливания отверстий в стволах пушек, люди сомневались, что столь большое количество теплорода может так быстро собраться из окружающей среды. Пропуская долгий исторический путь установления истины, сразу заметим, что любое тело характеризуется некоторой величиной внутренней энергии U, которую можно отобрать у тела лишь частично. Поэтому, имеет смысл говорить лишь о ее изменении. Это изменение можно осуществить двумя способами. 1) Совершив над телом механическую работу. При этом - приращение внутренней энергии равно работе внешних сил. 2) С помощью теплопередачи. В этом случае температура нашего тела всегда изменяется, а объем – нет. Изменение внутренней энергии будет , где С – теплоемкость тела. Она показывает, сколько джоулей механической работы нужно потратить, чтобы нагреть тело на один градус. Заметьте, с помощью первого способа изменения внутренней энергии мы связали механику и теорию тепла! Теперь самое интересное. Если у двух соприкоснувшихся тел произошли изменения внутренних энергий ΔU₁ и ΔU₂ то каковы бы ни были эти тела . То есть, одно тело как бы отдало другому некоторое количество тепла. Это утверждение, которое фактически является законом сохранения энергии в применении к тепловым процессам, несколько продлило жизнь теории теплорода, но не спасло ее. Хотя теплопередачу очень удобно рассматривать как передачу количества тепла ΔQ от горячего тела к холодному. Причем горячее остывает на Δt₁= ΔQ/C₁ градусов, а холодное нагревается на Δt₂= ΔQ/C₂ градусов. Обычно считают, что если тело получает тепло, то ΔQ>0, если тело отдает тепло, то ΔQ<0. Тогда в наших формулах Δt₂ будет положительным, а Δt₁ отрицательным.

 

Обобщая формулу для изменения внутренней энергии тела, получим Изменение внутренней энергии тела равно совершаемой механической работе внешних сил и переданному телу количеству тепла. Во всех этих процессах температура тела будет меняться. (Лишь работа внешних сил над газом иногда не сопровождается изменением температуры).

 

Поскольку теплоемкость тела пропорциональна его массе (это легко сообразить, зная, что телу вдвое большей массы для нагревания на один градус нужно сообщить вдвое большее количество тепла), удобно использовать удельную теплоемкость (теплоемкость единицы массы) c=C/m.

 

В заключение стоит заметить, что по представлениям молекулярно-кинетической теории, которая никак не использовалась в наших рассуждениях, но которая в конечном итоге победила, внутренней энергией называют сумму кинетической (тепловой) энергии молекул и потенциальной энергии их взаимодействия. Теперь понятно, почему у тела нельзя «отобрать» всю внутреннюю энергию. Потенциальную энергию не отберешь. И лишь странный, логически необъяснимый факт, что внутренняя энергия одного тела уменьшается ровно на столько, на сколько увеличивается внутренняя энергия другого, приведенного в соприкосновение с ним, наводит нас на мысль о фундаментальности понятия энергии. Мы не знаем, что такое энергия, но мы знаем, что она сохраняется.