§5.4. ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ.ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ
На основании опытов Джоуля и бесчисленного множества других наблюдений, путем обобщения опытных фактов был сформулирован один из наиболее фундаментальных законов физики — закон сохранения энергии.
Закон сохранения энергии
Опыты Джоуля и других ученых убедительно доказали, что механическая энергия никогда не пропадает бесследно.
Опускаются гири, вращающие лопасти в сосуде с ртутью, и температура ртути повышается на строго определенное число градусов. Падает молот на кусок свинца, и свинец нагревается вполне определенным образом.Был сделан вывод: энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает: количество энергии неизменно. Она только переходит из одной формы в другую.
Закон сохранения энергии управляет всеми явлениями в природе и связывает их воедино. Он выполняется всегда: не известно ни одного случая, когда бы он был нарушен.
Если в механике закон сохранения был получен из законов Ньютона, то общий закон сохранения энергии, включающий все ее формы, является опытным (эмпирическим) законом. Он был открыт в середине XIX в. немецким ученым Р. Майером , английским ученым Д. Джоулем и получил наиболее полную формулировку в трудах немецкого ученого Г. Гельмгольца.
Внутренняя энергия
Все макроскопические тела наряду с механической энергией обладают еще энергией, зависящей от внутреннего состоя-ния тел. Эту энергию называют внутренней. Открытие закона сохранения энергии оказалось возможным лишь после того, как было доказано существование внутренней энергии.
При нагревании ртути в опытах Джоуля ее внутренняя энергия увеличивалась за счет уменьшения механической энергии опускающихся гирь. При работе паровой турбины, наоборот, механическая энергия появляется в результате уменьшения внутренней энергии пара.
Наблюдать превращение внутренней энергии в механическую можно на простом опыте. Если нагревать воду в пробирке, то внутренняя энергия воды начнет возрастать.
Вода закипит, и давление пара увеличится настолько, что пробка будет выбита. Кинетическая энергия пробки увеличилась за счет внутренней энергии пара. Расширяясь, водяной пар совершает работу и охлаждается. Его внутренняя энергия при этом уменьшается.С точки зрения молекулярно-кинетической теории внут-ренняя энергия макроскопического тела равна сумме кине-тических энергий хаотического движения всех молекул (или атомов) относительно центра масс тела и потенциальных энергий взаимодействия всех молекул друг с другом (но не с
Майер Юлиус Роберт (1814—1878) — немецкий врач и замечательный физик. Майер фактически впервые четко сформулировал закон сохранения энер-гии и вычислил механический эквивалент теплоты на основе сравнения теп-лоємкостей газов при постоянном дав-лении и постоянном объеме. Идеи Майера не сразу были поняты и признаны современниками, а в дальнейшем оспаривался приоритет его открытия. Это нанесло ему тяжелую психологическую травму. молекулами других тел). Кроме того, во внутреннюю энергию входит энергия движения и взаимодействия частиц, слагающих атомы и молекулы. Но при не слишком больших температурах эта энергия остается неизменной.
У идеального газа вся внутренняя энергия представляет собой кинетическую энергию теплового движения его молекул (см. §4.8).
Зависимость внутренней энергии
от макроскопических параметров
Вычислить внутреннюю энергию тела или ее изменение, учитывая движение отдельных молекул и их положение друг относительно друга, практически невозможно из-за огромного числа молекул в макроскопических телах. Необходимо поэтому уметь определять среднее значение внутренней энергии и ее изменение в зависимости от макроскопических параметров, которые можно непосредственно измерять.
Мы установили, что внутренняя энергия идеального газа зависит от одного параметра — температуры. От объема внутренняя энергия идеального газа не зависит потому, что потен- циальная энергия взаимодействия его молекул считается равной нулю.
У реальных газов, жидкостей и твердых тел средняя потенциальная энергия взаимодействия молекул не равна нулю.
Правда, для реальных газов она много меньше средней кине-тической энергии, но для твердых и жидких тел сравнима с кинетической. Средняя потенциальная энергия взаимодействия молекул зависит от объема вещества, так как при изменении объема меняется среднее расстояние между молекулами. Следовательно, внутренняя энергия в общем случае наряду с температурой Т зависит еще и от объема V.Так как значения макроскопических параметров Т, V и др. однозначно определяют состояние тел, то, следовательно, они определяют и внутреннюю энергию макроскопических тел.
Внутренняя энергия U макроскопических тел однозначно определяется параметрами, характеризующими состояния этих тел:
U = U(T,V).
Но обратное не справедливо. Одной и той же внутренней энергии могут соответствовать различные состояния. Так, после того как в калориметр с водой положен нагретый кусок желе-за, состояние системы вода — железо изменится: вода нагреется, а железо остынет. Однако внутренняя энергия всей системы не изменится, так как энергия не поступает извне от окружающих тел и не передается им.
Макроскопические тела наряду с механической энергией обладают внутренней энергией. В термо-динамике внутренняя энергия определяется макро-скопическими параметрами Т, V и др.