«Какой энергичный человек!», «В нём чувствуется большая внутренняя энергия!». Такие комплименты можно услышать довольно часто. Эти слова означают такие качества, как сила, выносливость, устремлённость и активность. При недостатке энергии человеком овладевает апатия, унылость, лень и депрессия.

А знаете ли вы, что любое неодушевлённое тело или вещество также обладает внутренней энергией?

Все тела состоят из молекул и атомов. Они находятся в постоянном взаимодействии друг с другом, благодаря чему могут двигаться. Движущиеся тела обладают кинетической энергией, это верно и для наших молекул. Причина взаимодействия между молекулами, благодаря чему они движутся, в связях между ними — взаимное притяжение и отталкивание. Таким образом молекула обладает кинетической и потенциальной энергией, которая взаимно перетекает.

Рассмотрим пример. Киньте упругий мячик на пол. Во время движения вниз он обладает кинетической энергией. Но в момент касания пола, кинетическая энергия его движения полностью переходит в потенциальную, а потом, когда мяч отскакивает, вновь переходит в кинетическую. В этом случае энергия мяча не исчезает, а переходит из одного вида в другой. Что произойдёт, если бросить железный мячик на твёрдую неупругую поверхность? Мячик приземлится, не отскакивая. Его кинетическая и потенциальная энергии после приземления будут равны нулю. Куда подевалась энергия? Неужели она исчезла? Вот так просто? Нет, этого не может быть. Если внимательно рассмотреть поверхность мячика, то можно заметить, что после столкновения с полом, мячик немного сплющился, а на поверхности пола также могла остаться вмятина. Но самое главное – и мяч, и пол слегка нагрелись. То есть, произошло изменение в расположении молекул мячика и пола (сплющивание мячика и вмятина на полу), а также увеличилась их температура. Это означает, что кинетическая и потенциальная энергия мяча никуда не пропала, она перешла во внутреннюю энергию мяча и пола. В этом и состоит закон сохранения энергии. Энергия не возникает из ниоткуда и не исчезает в никуда. Она только переходит из одного состояния в другое.

Когда мы говорим о внутренней энергии человека, мы знаем, что при больших физических нагрузках, плохом питании и эмоциональных стрессах он становится менее энергичным. И наоборот, энергия «вливается» в человека через пищу, сон и отдых, а также физическую активность, позитивную деятельность и творчество.

Внутренняя энергия любого другого тела также может увеличиваться и уменьшаться. Но связано это с изменением температуры тела:

При повышении температуры внутренняя энергия тела увеличивается, так как молекулы тела начинают быстрее двигаться (значит, увеличивается кинетическая энергия) и расстояние между ними увеличивается (возрастает и потенциальная энергия).

И наоборот. При понижении температуры начинают менее активно двигаться молекулы тела, расстояние между ними уменьшается и понижается кинетическая и потенциальная энергия.

Температура — это главная характеристика внутренней энергии тела

Простой пример. От чего зависит скорость растворения сахара в воде?

Возьмите два куска сахара и положите один в стакан с горячей водой, другой — в стакан с холодной водой. Вы увидите, что сахар в первом стакане растворится намного быстрее.

Причиной растворения сахара является диффузия. А причина диффузии — это движение молекул. Следовательно, молекулы при более высокой температуре движутся быстрее. Поэтому, горячая вода растворяет сахар быстрее, чем холодная.

Человек свою энергию может направлять на разные дела и поступки с пользой для себя, во имя любви или на благо человечества.

А какая польза от внутренней энергии тела?

Интересный пример. Почему водяной пар уже в XIX веке нашёл активное применение в промышленности?

Возьмём обычную воду. Она может находиться в различных агрегатных состояниях — лёд, вода, пар. При повышении температуры лёд превращается в воду, а при дальнейшем нагревании — в пар. То есть, процесс получения пара сопровождается поглощением теплоты, так как для разрыва связей между молекулами воды требуется дополнительная энергия. В газообразном состоянии связи между молекулами воды очень слабые, а вот энергия их взаимодействия очень большая.

У одного и того же вещества в твёрдом состоянии запас внутренней энергии меньше, чем в жидком состоянии, и запас внутренней энергии в жидком состоянии меньше, чем в газообразном (при неизменной массе).

Поскольку водяной пар обладает огромной внутренней энергией, то умные головы уже в XIX веке смогли найти ему полезное применение. Была изобретена паровая турбина, которая смогла преобразовывать внутреннюю энергию пара в механическую энергию вращения вала.

Работает турбина следующим образом: вода, нагреваясь в паровом котле, превращается в пар. Пар находится под большим давлением и имеет температуру 570–600°C. Пар направляется в сопло и в нём расширяется. Струи пара, обладающие большой кинетической энергией, поступают из сопла на лопасти турбины и приводят диск турбины в быстрое вращательное движение.

Итак, внутренняя энергия тела может быть использована с пользой для человека. А если быть более точным, то существенную роль играет не сама внутренняя энергия тела, а её изменение.

Способ 1

Теплопередача. Примеров процесса теплопередачи множество — нагревание чайника на плите, оконного подоконника в солнечный день и т.п. Однако никакая работа здесь не совершается.

Изменение внутренней энергии тела без совершения работы называется теплопередачей (или теплообменом). Существует три вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение.

Теплопроводность — это процесс теплообмена между телами (или частями тела) при их непосредственном контакте. Теплопроводность вещества зависит от его агрегатного состояния, пористости и других качеств. Ручки чайников, кастрюль делают из пластмассы, так как она обладает плохой теплопроводностью. Мех животных из-за плохой теплопроводности предохраняет их от охлаждения зимой и перегрева летом.

Конвекция представляет собой теплопередачу нагретыми потоками жидкости или газа от одних участков занимаемого ими объёма в другие. Конвекция невозможна в твёрдых телах. Примеры проявления конвекции: циркуляция воздуха в отапливаемой комнате, центральное водяное отопление, ветры, морские течения и т. д.

Теплообмен при излучении осуществляется на расстоянии посредством электромагнитных волн, которые излучает любое нагретое тело. Так, вся энергия, получаемая Землёй от Солнца, передается путём лучеиспускания. Тепло от костра передаётся человеку путём излучения энергии, так как теплопроводность воздуха мала, а конвекционные потоки направлены вверх.

Способ 2

Механическая работа. Изменение внутренней энергии тела происходит под действием силы трения. Как мы поступаем, когда зимой на улице замерзают руки? Мы трём их, то есть совершаем работу над руками и они нагреваются, а значит, увеличивается их внутренняя энергия.

Внутренняя энергия тела может измениться, если тело деформировать. Например, ударить, надавить, сжать, скрутить, растянуть и т. д. При этом изменяются расстояния между частицами, из которых оно состоит, следовательно, изменяется потенциальная энергия взаимодействия частиц. При неупругих деформациях, кроме того, изменяется температура тела, то есть изменяется скорость отдельных частей тела (следовательно, и кинетическая энергия движения частиц). Например, если кусок алюминиевой проволоки быстро изгибать в одном и том же месте то в одну, то в другую сторону, то это место нагреется. 

1. Молоток нагревается, когда он лежит на солнце и когда им бьют по наковальне. Назовите способы изменения внутренней энергии молотка в обоих случаях.