Як ви вже знаєте, існують два види механічної енергії: кінетична і потенціальна. Кінетичну енергію має будь-яке рухоме тіло; вона залежить від маси тіла і його швидкості. Потенціальна енергія визначається взаємним розташуванням взаємодіючих між собою тіл чи частин тіла. Потенціальна енергія тіла, піднятого над землею, залежить від його маси і відстані між тілом та землею.

Як ви вже знаєте, теплові явища безпосередньо пов’язані з тепловим рухом мікрочастинок речовини. Саме їх рухом і взаємодією визначається характер теплових процесів. Такий науковий підхід до вивчення теплових явищ отримав назву мікроскопічного. Мікрочастинки будь-якого тіла здійснюють тепловий хаотичний рух, що характеризується середньою кінетичною енергією. Крім кінетичної енергії хаотичного руху мікрочастинки кожного тіла характеризуються енергією постійних взаємодій.

У твердих тілах і рідинах атоми та молекули постійно взаємодіють між собою, здійснюючи коливання відносно стабільних положень рівноваги. У газах відстань між молекулами значно більша, ніж у рідинах і твердих тілах. Енергію, яка залежить від взаємного розміщення атомів та молекул, називають потенціальною енергією взаємодії мікрочастинок.

Внутрішня енергія тіла не залежить від його механічного руху та положення відносно інших тіл. 

За відсутності зовнішніх впливів на тіло його внутрішня енергія залишатиметься сталою. При цьому всередині тіла між його мікрочастинками відбувається постійний обмін енергією: кінетична енергія їх хаотичного руху під час зіткнень перетворюється в потенціальну енергію їх взаємодії. Щоб змінити внутрішню енергію тіла, потрібно змінити його температуру. Проте внутрішня енергія тіла змінюється й під час плавлення кристалів та кипіння рідин, хоча ці процеси відбуваються при сталій температурі. Зміна внутрішньої енергії відбувається за рахунок зміни енергії взаємодії між частинками речовини під час її переходу з одного агрегатного стану в інший.

Внутрішня енергія тіла змінюється тільки при зміні температури тіла та переході речовини з одного агрегатного стану в інший.

Отже, внутрішня енергія тіл змінюється під час теплових процесів, пов’язаних зі змінами температури та агрегатних станів. Тобто будь-які теплові процеси супроводжуються змінами внутрішньої енергії тіла. Оскільки тіла постійно беруть участь у теплових процесах, то важливою є саме зміна їх внутрішньої енергії, яку позначають ΔU.

Зміни внутрішньої енергії тіла пов’язані зі змінами кінетичної енергії хаотичного руху та потенціальної енергії взаємодії мікрочастинок, з яких воно складається.

Зміни внутрішньої енергії тіл можливі під час хімічних реакцій, у результаті яких відбуваються перетворення одних речовин в інші (наприклад, процес горіння палива, коли відбуваються сполучення вуглецю з киснем та утворення вуглекислого газу). Відповідно, змінюються кінетична і потенціальна енергія взаємодії атомів у складі молекул та енергія взаємодії електронів з ядрами, що й визначає зміну внутрішньої енергії.

Внутрішня енергія може також змінюватися в процесі ядерних перетворень, коли змінюється сумарна кінетична і потенціальна енергія внутрішніх частинок ядра — нейтронів та протонів.

Таким чином, внутрішня енергія змінюється при теплових процесах, хімічних та ядерних реакціях.

Внутрішня енергія — це змінна величина. Оскільки внутрішня енергія речовини визначається кінетичною та потенціальною енергіями частинок цієї речовини, то, змінюючи швидкість руху частинок або відстані між ними, можна змінити й внутрішню енергію речовини. 

Згадаємо деякі приклади з життя: якщо вимкнути з розетки гарячу праску, за якийсь час вона охолоне; занурена в гарячий чай холодна ложка обов’язково нагріється. У кожному із цих прикладів змінюється температура тіл, і це означає, що змінюється їхня внутрішня енергія. Водночас над цими тілами не виконується робота й самі тіла також ніякої роботи не виконують. У таких випадках кажуть про передачу тепла.

Процес зміни внутрішньої енергії тіла без виконання роботи називають теплопередачею (теплообміном).

Досліди свідчать: теплопередача є можливою тільки в разі наявності різниці температур, причому самовільно тепло може передаватися тільки від тіла з більшою температурою до тіла з меншою температурою.

Змінити внутрішню енергію тіла можна за рахунок виконання механічної роботи: ΔU = А

Таким чином, одним зі способів зміни внутрішньої енергії тіла є механічна робота, яка характеризує зміни внутрішньої енергії тіла при перетворенні механічної енергії у внутрішню або внутрішньої енергії в механічну. 

Контрольні запитання 

1. Чому частинки речовини мають потенціальну енергію? завжди мають кінетичну енергію? 

2. Що називають внутрішньою енергією тіла? 

3. Від чого залежить внутрішня енергія тіла? 

4. Поки лід плавиться, його температура не змінюється. Чи змінюється при цьому внутрішня енергія льоду? 

5. Чи може тіло мати внутрішню енергію, але не мати при цьому механічної енергії?

Домашній експеримент

Металеву, пластикову, а за наявності й дерев’яну, ложки покладіть на декілька годин у холодильник. Вийміть їх і порівняйте їхню температуру на дотик. Зробіть висновок про їхню внутрішню енергію та поясніть його.

Вправа

1. Якщо підняти камінь з поверхні землі, то потенціальна енергія каменя, а отже, кожної його частинки збільшується. Чи означає це, що внутрішня енергія каменя також збільшується? Обґрунтуйте свою відповідь.

2. М’яч кинули вгору. Як під час руху м’яча змінюється його внутрішня енергія? механічна енергія? Опором повітря знехтуйте.

3. Як змінюються внутрішня й механічна енергії пляшки з водою у вашому наплічнику, коли ви в морозну погоду заходите з вулиці в теплий будинок? піднімаєтеся на другий поверх будівлі? прискорюєте рух шкільним коридором?

4. Металеву кульку підвісили на мотузці й нагріли. Як змінилася внутрішня енергія кульки? механічна енергія кульки?

5. Як зміниться внутрішня енергія склянки води кімнатної температури, якщо: а) її нагріти до температури 40 °С; б) охолодити до 10 °С?

6. Як зміниться внутрішня енергія склянки води, якщо: а) її перемістити зі столу на підлогу; б) помістити в холодильник; в) закип’ятити воду?

7. В якій із посудин з однаковими колбами, зображеними на рисунку, температура води вища? Поясніть, чому.

8. Чому під час розпилювання дерева металевою пилою, пита нагрівається до більшої температури, ніж дерево?

9. Чому після сильного шторму температура води стає вищою?

10. Чому нагріваються метеорити, що входять у шари атмосфери?

11. Чи можна спостерігати «падаючі зірки» на Місяці?

12. Чому при забиванні цвяха в дерев’яну поверхню його шляпка нагрівається значно менше, ніж тоді, коли він вже повністю забитий?