Внутренняя энергия
Всякое движущееся тело обладает кинетической энергией. Так, например, кинетической энергией обладает летящая птица, движущиеся самолет, мяч, текущая вода и т. д. Кинетическая энергия тела зависит от его массы и от скорости движения тела. Потенциальная энергия определяется взаимным положением взаимодействующих тел или его отдельных частей. Например, потенциальной энергией обладают поднятый над землей камень, сжатая или растянутая пружина и т.д. Кинетическая и потенциальная энергия — это два вида механической энергии, они могут превращаться друг в друга.
Как же происходит превращение одного вида энергии в другой? Свинцовый шар, лежащий на свинцовой плите, поднимем вверх и отпустим (рис. 2). При падении скорость шара увеличивается, а высота подъема уменьшается. Следовательно, его кинетическая энергия возрастает, а потенциальная уменьшается. Это значит, что происходит превращение потенциальной энергии шара в кинетическую. После того как шар ударится о свинцовую плиту, он остановится (рис. 3).
Его кинетическая и потенциальная энергия будут равны нулю. Механическая энергия превратилась в другую форму энергии. Мы заметим, что шар немного сплюснулся, а на плите возникла небольшая вмятина. Шар и плита при ударе деформировались. Измерим температуру шара и плиты сразу после удара. Мы заметим, что они нагрелись. Таким образом, в результате удара шара о плиту изменилось состояние этих тел — они деформировались и нагрелись. Но если изменилось состояние тел, то изменилась и энергия частиц, из которых состоят тела. Действительно, мы знаем, что при нагревании тела увеличивается средняя скорость движения молекул. Значит, увеличивается их средняя кинетическая энергия. Молекулы обладают также и потенциальной энергией. Когда тело деформировалось, то изменилось взаимное расположение его молекул, а значит, изменилась и их потенциальная энергия. Итак, при соударении изменилась и кинетическая и потенциальная энергия молекул свинца. Следовательно, механическая энергия, которой обладал шар в начале опыта, не исчезла. Она перешла в энергию молекул. Кинетическая энергия всех молекул, из которых состоит тело, и потенциальная энергия их взаимодействия составляют внутреннюю энергию тела. В дальнейшем, рассматривая внутреннюю энергию тела, мы будем понимать под ней кинетическую энергию теплового движения и потенциальную энергию взаимодействия молекул тела. При остановке тела механическое движение прекращается, но зато усиливается беспорядочное (тепловое) движение его молекул. Механическая энергия превращается во внутреннюю энергию тела.
Итак, кроме механической энергии, существует еще один вид энергии. Это внутренняя энергия тела. Внутренняя энергия зависит от температуры тела, агрегатного состояния вещества и других факторов.
Внутренняя энергия тела не зависит ни от механического движения тела, ни от положения этого тела относительно других тел. Тело, имея некоторый запас внутренней энергии, одновременно может обладать и механической энергией. Например, пуля, летящая на некоторой высоте над землей, кроме внутренней энергии, обладает еще и механической энергией — потенциальной и кинетической. Кинетическая и потенциальная энергия одной молекулы очень маленькая величина, ведь масса молекулы мала. Поскольку в теле содержится множество молекул, то внутренняя энергия тела, равная сумме энергий всех молекул, будет велика.