Автор курса · Команда Небулс
Макроскопическое тело кажется неподвижным, но его частицы движутся и взаимодействуют. Внутренняя энергия — сумма кинетических энергий хаотического движения частиц и потенциальных энергий их взаимодействия. К ней не относят движение тела как целого и его потенциальную энергию во внешнем поле.
Внутренняя энергия идеального одноатомного газа зависит только от абсолютной температуры:
У реальных веществ она также меняется при изменении расстояний и связей между частицами, особенно во время фазовых переходов. Абсолютное значение внутренней энергии обычно не требуется; измеряют её изменение.
Слева энергия передаётся между соседними частицами, в центре переносится циркуляцией жидкости, справа излучение проходит через пустое пространство.
Внутреннюю энергию можно изменить работой или теплопередачей. Количество теплоты — энергия, переданная между телами из-за разности температур без совершения макроскопической работы. При нагревании без фазового перехода:
Удельная теплоёмкость показывает, сколько энергии нужно для нагревания вещества на . Она зависит от вещества и условий процесса. Знак положителен для получающего тепло тела и отрицателен для отдающего.
Теплопроводность передаёт энергию через взаимодействие частиц без переноса вещества в целом. Конвекция переносит энергию потоками жидкости или газа, возникающими из-за разности плотностей. Излучение переносит энергию электромагнитными волнами и возможно даже в вакууме.
| Способ | Нужна среда | Перенос вещества | Пример |
|---|---|---|---|
| Теплопроводность | Да | Нет | Нагрев металлической ложки |
| Конвекция | Да | Да | Циркуляция воды в кастрюле |
| Излучение | Нет | Нет | Нагрев Земли Солнцем |
В реальной ситуации способы часто действуют одновременно. Термос уменьшает теплопроводность и конвекцию вакуумным зазором, а блестящие стенки ослабляют излучение.
В теплоизолированной системе энергия, отданная горячими телами, равна энергии, полученной холодными. Уравнение удобно записывать с алгебраическими знаками:
Например, при смешивании воды без потерь . Если теплоёмкости сосудов заметны, их тоже включают в баланс. Такой расчёт является применением закона сохранения энергии к микроскопическим формам энергии.
Температура равновесия лежит между начальными температурами, если нет фазового перехода и внешней работы. Результат вне этого интервала сигнализирует об ошибке знака, единиц или пропущенном участнике теплообмена.