Ми вже звертали увагу на те, що завдяки тепловому руху кожна частинка речовини завжди має кінетичну енергію.
Крім кінетичної енергії, частинки речовини мають і потенціальну енергію, тому що (згадайте молекулярно-кінетичну теорію) взаємодіють одна з одною — притягуються та відштовхуються.
Суму кінетичної енергії теплового руху частинок, із яких складається тіло, і потенціальної енергії їхньої взаємодії називають внутрішньою енергією тіла.
Одиницею внутрішньої енергії в СІ є джоуль (Дж).
Внутрішня енергія тіла змінюється зі зміною його температури: зі збільшенням температури тіла його внутрішня енергія збільшується, а зі зменшенням температури — зменшується.
Внутрішня енергія змінюється також зі зміною агрегатного стану речовини: під час зміни агрегатного стану речовини змінюється взаємне розташування її частинок, тобто змінюється потенціальна енергія їхньої взаємодії. Наприклад, під час плавлення речовини її внутрішня енергія збільшується, а під час кристалізації — зменшується. Докладніше про це ви дізнаєтеся наприкінці розділу І «Теплові явища».
Інтерактивна симуляція "Фізика в школі" (Агрегатний стан - вода)
Під час вивчення механіки йшлося про те, що суму кінетичної та потенціальної енергій системи тіл називають повною механічною енергією цієї системи. Дехто з вас, можливо, скаже: «То виходить, що внутрішня енергія й механічна енергія — одне й те саме!» Проте це не так.
Механічна енергія залежить від руху й розташування фізичного тіла відносно інших тіл або частин тіла одна відносно одної. Натомість внутрішня енергія визначається характером руху та взаємодії тільки частинок тіла. Так, механічна енергія наплічника, що лежить на підлозі, стоїть на стільці або «подорожує» разом із вами шкільним коридором, є різною, а от його внутрішня енергія за незмінної температури буде однаковою.
Згадайте, як ваші однокласники повертаються до школи після того, як на перерві грали в сніжки. Хтось енергійно тре руки, хтось тулить їх до теплої батареї. Для чого вони це роблять? Щоб зігріти змерзлі руки! А чим відрізняються способи нагрівання за допомогою тертя та через контакт із тілом, яке має вищу температуру?
Згадаємо деякі приклади з життя: якщо вимкнути з розетки гарячу праску, за якийсь час вона охолоне; занурена в гарячий чай холодна ложка обов’язково нагріється. У кожному з цих прикладів змінюється температура тіл, і це означає, що змінюється їхня внутрішня енергія. Водночас над цими тілами не виконується робота й самі тіла також ніякої роботи не виконують. У таких випадках кажуть про передачу тепла.
Процес зміни внутрішньої енергії тіла без виконання роботи називають теплопередачею (теплообміном).
Для кількісної характеристики теплопередачі використовують поняття кількість теплоти.
Кількість теплоти — це фізична величина, що дорівнює енергії, яку тіло одержує або віддає під час теплопередачі.
Кількість теплоти позначають символом Q. Одиницею кількості теплоти в СІ є джоуль (Дж):
Кількість теплоти, як і механічна робота, може бути як додатною, так і від’ємною. У випадках, коли тіло одержує енергію, кількість отриманої ним теплоти вважають додатною; коли тіло віддає енергію, кількість втраченої ним теплоти вважають від’ємною.
Досліди свідчать: теплопередача є можливою тільки в разі наявності різниці температур, причому самовільно тепло може передаватися тільки від тіла з більшою температурою до тіла з меншою температурою.
Чим більшою є різниця температур, тим швидше за інших рівних умов здійснюється передача тепла. Теплообмін триватиме, доки температури тіл не стануть однаковими, тобто доки між тілами не встановиться теплова рівновага.
Численні спостереження й експерименти переконують: навіть у разі відсутності теплообміну внутрішня енергія тіла може збільшуватись, якщо над тілом виконується робота. Першим це довів англійський фізик Бенджамін Томпсон.
Якщо тіло саме виконує роботу, то його внутрішня енергія зменшується.
Інтерактивна симуляція "Фізика в школі" (Внутрішня енергія)