Этот вопрос является одним из самых частых подвохов в школьной физике и на экзаменах. Краткий и точный ответ — нет. Если тело совершает работу‚ то его внутренняя энергия уменьшается.
Давайте разберем подробно‚ почему это так‚ откуда берется эта частая ошибка и как правильно понимать процессы изменения внутренней энергии.
Что такое внутренняя энергия?
Чтобы понять‚ как меняется внутренняя энергия‚ нужно вспомнить‚ что она собой представляет. Согласно определению из курса физики‚ внутренняя энергия тела, это сумма кинетической энергии хаотического (теплового) движения частиц тела и потенциальной энергии взаимодействия этих частиц друг с другом.
Важно понимать ключевое свойство: внутренняя энергия зависит не от движения тела или его положения в пространстве (это механическая энергия)‚ а только от состояния частиц внутри самого тела.
Как отмечается в учебнике физики для 10 класса (Богданов К.Ю.)‚ потенциальная энергия связей между частицами обеспечивает целостность тела‚ так как эти частицы притягиваются друг к другу. Поэтому‚ если мы сжимаем‚ растягиваем или дробим тело‚ мы совершаем работу над ним‚ что напрямую влияет на его внутреннюю энергию;
Совершение работы и изменение внутренней энергии
Здесь кроется главный нюанс‚ на котором многие ошибаются. Существует фундаментальная разница между двумя ситуациями:
- Работа совершается НАД телом (внешними силами). Например‚ вы сжимаете газ в поршне‚ трете два куска льда друг о друга или ударяете по гвоздю молотком. В этом случае внутренняя энергия тела увеличивается. Тело получает энергию извне.
- Тело само совершает работу (над окружающей средой). Например‚ расширяющийся газ выталкивает поршень в двигателе автомобиля. В этом случае внутренняя энергия тела уменьшается. Тело тратит свой запас энергии на совершение этой работы.
Как гласит энциклопедия и материалы для подготовки к ЕГЭ: если работа совершается над телом‚ то его внутренняя энергия увеличивается‚ если же тело само совершает работу‚ это ведет к уменьшению его внутренней энергии.
Причем общее изменение внутренней энергии равно значению совершенной работы (с учетом знака). Если тело совершило работу в 100 Джоулей‚ его внутренняя энергия уменьшится ровно на 100 Джоулей.
Почему возникает путаница?
Часто ученики путают причины и следствия. Логика ошибающегося звучит так: «Чтобы совершить работу‚ нужна энергия‚ значит‚ пока тело работает‚ энергия в нем растет». Это неверно. Правильная аналогия — с кошельком: чтобы купить товар (совершить работу)‚ вы отдаете деньги (внутреннюю энергию)‚ и ваш кошелек пустеет. Запас энергии уменьшается именно потому‚ что тело ее тратит.
Второй способ изменения внутренней энергии: Теплопередача
Совершение механической работы, не единственный способ изменить внутреннюю энергию. Второй способ — это теплопередача.
Как указано в материалах ЗФТШ при МФТИ‚ внутреннюю энергию тела можно изменить:
- Теплопередачей (которая‚ в свою очередь‚ делится на теплопроводность‚ конвекцию и излучение).
- Совершением механической работы над телом (трение‚ удар‚ сжатие и др.).
Если тело не совершает работу и над ним не совершают работу‚ его внутренняя энергия все равно может измениться‚ если оно получит тепло от более нагретого тела или отдаст его более холодному.
Формула первого начала термодинамики
В физике связь между теплотой‚ работой и изменением внутренней энергии описывается первым началом термодинамики (законом сохранения энергии применительно к тепловым процессам).
Формула выглядит так:
ΔU = Q ⎯ W
Где:
- ΔU — изменение внутренней энергии системы;
- Q — теплота‚ поглощенная системой;
- W — работа‚ произведенная системой над окружающей средой.
Из формулы прекрасно видно: если тело само совершает работу (W больше нуля)‚ то из общей «копилки» энергии (Q) вычитается величина W. Следовательно‚ если телу не передают тепло (Q=0)‚ то ΔU будет отрицательной‚ то есть внутренняя энергия уменьшится.