Внутренняя энергия

В физике есть несколько типов явлений, такие как механические, тепловые, световые, электромагнитные и другие явления. Любое подобное явление сопровождается затратами энергии. Известно, что существует два вида механической энергии: кинетическая и потенциальная.

Кинетическая энергия — это энергия движущегося тела. То есть, любой движущийся объект обладает кинетической энергией. Это может быть  движущийся автомобиль, идущий человек, бегущая собака и так далее. Кинетическая энергия зависит от массы тела и от скорости его движения. Вычисляется кинетическая энергия по следующей формуле:

Потенциальная энергия является характеристикой взаимодействия нескольких тел в соответствии с их расположением относительно друг друга. Например, любое тело, поднятое над землей, обладает потенциальной энергией. Потенциальная энергия зависит от массы тела и от высоты, на которую это тело поднято и вычисляется по формуле:

Кроме того, тело может обладать и тем и другим видом энергии одновременно. Скажем, самолет, движется с определенной скоростью (а потому обладает кинетической энергией) и летит на определенной высоте (а потому обладает потенциальной энергией).

В этом случае, полной энергией тела будет сумма потенциальной и кинетической энергий: E = Е_к + Е_п.

Кинетическая и потенциальная энергия могут превращаться друг в друга. Самый очевидный пример — это свободное падение, при котором тело теряет высоту, но набирает скорость. Допустим, мячик, держат, на начальной высоте h₀. Тогда он обладает потенциальной энергией mgh₀ и нулевой скоростью. В этом случае кинетическая энергия будет равна нулю.

Предположим, мяч отпустили. В результате свободного падения тело переместилось в точку соприкосновения с землей, и соответственно, на нулевую высоту. Теперь потенциальная энергия равна нулю. Однако, при падении скорость мяча возросла от нуля до v. Следовательно, его кинетическая энергия возросла до

Таким образом, мяч потерял всю свою потенциальную энергию, но приобрел кинетическую, хотя сначала не имел кинетической энергии, но обладал потенциальной.

Заметим, однако, что после соприкосновения с землёй и нескольких отскоков, мячик остался лежать на земле неподвижно. А это означает, что и кинетическую энергию он тоже потерял. Ни в коем случае, нельзя делать из этого вывод, что энергия мяча просто пропала. Если мы посмотрим внимательно, то увидим, что в момент удара мяч немного сплюснулся, а потом снова приобрел исходную форму за счет своей эластичности. Потом он подпрыгнул, но уже на высоту меньше, чем исходная. И так до тех пор, пока полностью не остановился. Каждый раз при ударе, мячик деформировался и возвращался к исходной форме. На это и была потрачена часть механической энергии. Кроме того, если мы измерим температуру мяча, то убедимся, что он немного нагрелся (также, как и участок поверхности, о которую он ударялся). А, как мы помним из предыдущего урока, температура — это мера кинетической энергии молекул.

Следовательно, часть механической энергии превратилась во внутреннюю энергию мяча. Внутренняя энергия тела складывается из механической энергии молекул: кинетической и потенциальной.

Также, как и в системе тел, энергия системы складывается из энергий каждого тела, в теле внутренняя энергия складывается из энергии молекул:

Внутренняя энергия тела зависит от температуры (так как температурой описывается кинетическая энергия молекул) и агрегатного состояния вещества (так как от него зависит расположение молекул относительно друг друга). Так мы подошли к теме следующего урока: способы изменения внутренней энергии. Заметим, тем не менее, что скорость самого тела никак не влияет на внутреннюю энергию, также как и его положение, относительно других тел, не влияет, на расстояние между молекулами.