Внутренняя энергия тела

Внутренняя энергия тела.

Все мы слышали термин «внутренняя энергия тела». Этим видом энергии занимается целый раздел в физике – термодинамика. Несколько предложений из учебника, чтобы вспомнить суть дела.

«Термодинамика – это теория тепловых явлений, в которой не учитывается атомно-молекулярное строение тел. …Совокупность физических тел, изолированных от взаимодействия с другими телами, называют изолированной термодинамической системой. Тело, как система из составляющих его частиц обладает внутренней энергией. С позиции молекулярно-кинетической теории, внутренняя энергия – это сумма потенциальной энергии взаимодействия частиц, составляющих тело, и кинетической энергии их беспорядочного теплового движения.

Кинетическая энергия беспорядочного движения частиц пропорциональна температуре Т, потенциальная энергия взаимодействия зависит от расстояния между частицами, то есть от объёма V тела. Поэтому в термодинамике внутренняя энергия U тела определяется как функция его макроскопических параметров, например, температуры Т и его объёма V.

Одним из основных законов физики является закон сохранения и превращения энергии. В термодинамике закон сохранения энергии формулируется так: при любых процессах в изолированной термодинамической системе внутренняя энергия остаётся неизменной: U=const.

Внутренняя энергия идеального газа. Если потенциальная энергия взаимодействия молекул равна нулю, внутренняя энергия идеального газа равна сумме кинетических энергий хаотического теплового движения всех его молекул.»

Чтобы было всё предельно ясно, вспомним, что такое кинетическая и потенциальная энергия.

«Физическая величина, равная половине произведения массы тела на квадрат его скорости, называется кинетической энергией тела: E_>k=mv^>2/2. Кинетическая энергия тела массой m, движущегося со скоростью v, равна работе, которую должна совершить сила, действующая на покоящееся тело, чтобы сообщить ему эту скорость».

«Физическую величину, равную произведению массы тела на модуль ускорения свободного падения и на высоту, на которую поднято тело над поверхностью Земли, называют потенциальной энергией тела: E_>p=mgh».

Как видим из вышеизложенного, внутреннюю энергию тела свели к банальной сумме различных характеристик движения частиц их слагающих. Возникает несколько вопросов. Из определения потенциальной энергии, становится непонятным выражение: «потенциальной энергии взаимодействия частиц».

Имеет ли, скажем, кусок кристалла кварца внутреннюю энергию? Кристаллическая решётка кварца состоит из атомов кремния и кислорода, которые никуда не перемещаются как в идеальном газе, а постоянно вибрируют на своих местах. Если предположить, что атомы кислорода или кремния имеют поступательные движения вверх-вниз относительно центра Земли, то их потенциальная энергия будет равна: E_>p=mgh+mg(-h)=0. Остаётся кинетическая энергия. Атомы не бьются друг о друга, но даже если их представить в виде бильярдных шаров, то при столкновении двух атомов с одинаковой скоростью и массой, их результирующая будет равна нулю, то есть атомы остановятся. Выходит, что в изолированной термодинамической системе без притока дополнительной энергии тело должно остывать вплоть до абсолютного нуля. Где спрятался червячок подвоха? Закон сохранения и превращения энергии гласит: «при любых процессах в изолированной термодинамической системе внутренняя энергия остаётся неизменной: