Тепловое движение. Внутренняя энергия. Способы изменения внутренней энергии — тренажёр для 8 класса

Раздел 1 — Определение

Тепловое движение — это непрерывное беспорядочное (хаотическое) движение частиц вещества (молекул, атомов, ионов), которое существует при любой температуре и никогда не прекращается. Скорости отдельных частиц различны и постоянно меняются при столкновениях, но средняя кинетическая энергия частиц тела строго связана с его температурой.

Внутренняя энергия тела (обозначение — *U*) — это сумма кинетической энергии теплового движения всех его частиц и потенциальной энергии их взаимодействия друг с другом. Кинетическая часть зависит от скоростей частиц, потенциальная — от расстояний между ними, то есть от агрегатного состояния и объёма тела.

Место темы в курсе физики 8 класса — вход в раздел «Тепловые явления». Понятие внутренней энергии служит фундаментом для количества теплоты, удельной теплоёмкости, плавления, парообразования и первого закона термодинамики, изучаемого в старших классах.

Механическая энергия тела и его внутренняя энергия — величины независимые: летящий стальной шарик обладает кинетической энергией движения как целого, но его внутренняя энергия определяется только движением и взаимодействием молекул внутри шарика.

Раздел 2 — Ключевые правила

Внутренняя энергия тела зависит от температуры, массы, агрегатного состояния и рода вещества, но не зависит от скорости тела как целого и от его высоты над Землёй.

1. Температура — мера средней кинетической энергии хаотического движения частиц. Чем выше температура, тем больше средняя кинетическая энергия и, значит, средняя квадратичная скорость молекул: *E*ср = 3*kT*/2, откуда *v*кв = √(3*kT*/*m*). Пример: молекулы воздуха в комнате (20 °C) движутся в среднем быстрее, чем те же молекулы в морозильнике (−18 °C).
2. Внутренняя энергия существует всегда и не равна нулю. Даже у льда при −40 °C частицы колеблются около узлов кристаллической решётки, следовательно, *U* > 0.
3. Изменить внутреннюю энергию можно двумя способами: теплопередачей и совершением работы. Оба способа дают одинаковый результат — изменение температуры или агрегатного состояния.
4. При теплопередаче энергия переходит от более нагретого тела к менее нагретому без совершения макроскопической работы: теплопроводность, конвекция, излучение.
5. Работа увеличивает внутреннюю энергию, если её совершают над телом (сжатие газа, трение), и уменьшает, если работу совершает само тело (расширяющийся газ толкает поршень и охлаждается).

Раздел 3 — Разбор примеров

Пример 1. Проволоку сгибают несколько раз и место сгиба нагревается. Внешняя сила совершает работу деформации, слои металла трутся друг о друга, кинетическая энергия частиц растёт. Вывод: работа внешних сил над телом увеличивает его внутреннюю энергию без всякого нагревателя.

Пример 2. Ложку опустили в горячий чай — она нагрелась. Быстрые молекулы воды передают энергию частицам металла при столкновениях; работа не совершается, форма и объём ложки не меняются. Вывод: теплопроводность — способ изменения *U* без совершения работы.

Пример 3. Из открытого баллона выходит сжатый газ, вентиль покрывается инеем. Расширяющийся газ совершает работу против давления атмосферы за счёт собственной внутренней энергии, средняя скорость молекул падает, температура снижается. Вывод: тело, совершающее работу, охлаждается.

Пример 4. Стальной шарик, летящий со скоростью 20 м/с, ударяется о стену и застревает в ней. Механическая энергия исчезла, но шарик и стена нагрелись: упорядоченное движение шарика как целого превратилось в беспорядочное движение частиц. Вывод: внутренняя энергия — не механическая энергия тела, а энергия его частиц.

Пример 5. Лёд при 0 °C превращается в воду при 0 °C. Температура не изменилась, средняя кинетическая энергия частиц осталась прежней, но разрушена кристаллическая решётка — выросла потенциальная энергия взаимодействия. Вывод: внутренняя энергия может расти при постоянной температуре.

Раздел 4 — Таблица

Раздел 5 — Типичные ошибки

Ошибка 1. «Внутренняя энергия зависит от скорости тела». Возникает из-за смешения формулы *E*к = *mv*²/2 для тела и для молекул. Неправильно: «автомобиль разогнался — его внутренняя энергия выросла». Правильно: выросла механическая энергия; внутренняя изменится только при трении и нагреве деталей.

Ошибка 2. «При 0 °C движение молекул прекращается». Причина — восприятие нуля шкалы Цельсия как «нуля энергии». Правильно: движение прекращается только при абсолютном нуле (−273 °C), недостижимом на практике.

Ошибка 3. «Тело содержит теплоту». Теплота — не запас, а процесс передачи. Неправильно: «в чайнике много теплоты». Правильно: «вода в чайнике обладает большой внутренней энергией», «чайник передал воде количество теплоты 200 кДж».

Ошибка 4. «Внутренняя энергия — только кинетическая». Забывают о взаимодействии частиц. Неправильно: «при плавлении *U* не меняется, ведь *t* = const». Правильно: растёт потенциальная составляющая, *U* увеличивается.

Ошибка 5. «Работа всегда нагревает тело». Знак зависит от того, кто её совершает. Правильно: работа над телом увеличивает *U*, работа самого тела уменьшает *U*.

Раздел 6 — Пошаговый алгоритм

1. Прочитайте условие и назовите тело, внутренняя энергия которого рассматривается.
2. Определите, изменяется ли температура, агрегатное состояние или объём тела.
3. Установите способ изменения *U*: есть разность температур — теплопередача; есть сила и перемещение (трение, сжатие, удар) — работа.
4. Определите направление процесса: тело получает энергию (*U* растёт) или отдаёт (*U* убывает).
5. Укажите, какая составляющая изменилась: кинетическая (менялась температура) или потенциальная (менялось агрегатное состояние).
6. Запишите вывод формулой качественно: Δ*U* > 0 или Δ*U* < 0.
7. Проверьте результат физическим смыслом: горячее тело не может самопроизвольно нагреться ещё сильнее за счёт холодного, а энергия не исчезает — она переходит другому телу или в другую форму.

Раздел 7 — Как запомнить

• Формула-каркас: U = Eк + Eп — «скорость плюс расстояние».
• Два способа — два слова: «грей или три» (теплопередача или работа).
• Три вида теплопередачи: ТКИ — Теплопроводность, Конвекция, Излучение.
• Правило знака работы: «над телом — нагрев, телом — охлаждение» (насос греется, баллон холодеет).
• Связь с температурой: *T* ↑ → *v*кв ↑ → *E*ср ↑, при этом *v*кв = √(3*kT*/*m*): лёгкие молекулы при одной температуре движутся быстрее тяжёлых.