Номер 1, страница 54, часть 1 - гдз по физике 8 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 1. Глава 1. Строение и свойства вещества. Тепловые явления. Параграф 14. Количество теплоты. Повторим изученное - номер 1, страница 54.

Условие.

Что такое внутренняя энергия тела?

Как можно изменить внутреннюю энергию тела?

Решение.

Что такое внутренняя энергия тела?

Внутренняя энергия тела (или термодинамической системы), обозначаемая как $\text{U}$, — это фундаментальная характеристика состояния системы, которая представляет собой сумму всех видов энергии ее микроскопических составляющих. Эта энергия не зависит от движения тела как целого и его положения во внешних полях.

Внутренняя энергия складывается из двух основных компонентов:

1. Кинетическая энергия хаотического (теплового) движения частиц (атомов, молекул, ионов), из которых состоит тело. Эта энергия включает в себя энергию поступательного, вращательного и колебательного движения частиц. Она напрямую связана с температурой тела: чем выше температура, тем больше средняя кинетическая энергия частиц.

2. Потенциальная энергия взаимодействия этих частиц друг с другом. Эта энергия обусловлена силами межмолекулярного (межатомного) притяжения и отталкивания. Она зависит от среднего расстояния между частицами, а следовательно, от объема и агрегатного состояния вещества (газ, жидкость, твердое тело).

Таким образом, общая внутренняя энергия является суммой этих двух составляющих:

$U = E_{кин} + E_{пот}$

где $E_{кин}$ — суммарная кинетическая энергия всех частиц тела, а $E_{пот}$ — суммарная потенциальная энергия их взаимодействия.

Важно понимать, что в понятие внутренней энергии не включают кинетическую энергию движения тела как единого целого и его потенциальную энергию во внешних полях (например, в гравитационном поле).

Например, для идеального газа, в модели которого взаимодействием между молекулами пренебрегают, потенциальная энергия $E_{пот}$ считается равной нулю. Поэтому внутренняя энергия идеального газа равна сумме кинетических энергий его молекул и зависит только от температуры. Для одноатомного идеального газа она вычисляется по формуле:

$U = \frac{3}{2}\nu RT = \frac{3}{2}\frac{m}{M}RT$

где $\nu$ — количество вещества, $\text{m}$ — масса газа, $\text{M}$ — его молярная масса, $\text{R}$ — универсальная газовая постоянная, а $\text{T}$ — абсолютная температура.

Согласно первому закону термодинамики, изменить внутреннюю энергию тела можно двумя способами:

1. Совершение работы ($\text{A}$). Если над телом совершают работу (например, сжимают газ), его внутренняя энергия увеличивается. Если тело само совершает работу (расширяется), его внутренняя энергия уменьшается.

2. Теплопередача ($\text{Q}$). Если телу передают количество теплоты (нагревают), его внутренняя энергия увеличивается. Если тело отдает теплоту (охлаждается), его внутренняя энергия уменьшается.

Математически это выражается формулой первого закона термодинамики: $\Delta U = Q + A'$, где $\Delta U$ — изменение внутренней энергии, $\text{Q}$ — количество теплоты, переданное системе, а $A'$ — работа, совершённая над системой. Если же рассматривать работу $\text{A}$, совершённую системой, то формула будет иметь вид: $\Delta U = Q - A$.

Ответ: Внутренняя энергия тела — это сумма кинетической энергии хаотического движения всех частиц (атомов, молекул), из которых состоит тело, и потенциальной энергии их взаимного расположения и взаимодействия. Она является функцией состояния системы, зависит от её макроскопических параметров (температуры, объема), но не включает в себя механическую энергию тела как целого.