7.6.2. Внутренняя энергия

Помимо потенциальной энергии и энергии взаимодействия, любая система обладает внутренней энергией.

Внутренняя энергия - энергия физической системы, зависящая от ее внутреннего состояния. Внутренняя энергия включает энергию хаотического (теплового) движения всех микрочастиц системы (молекул, атомов, ионов и т.д.) и энергию взаимодействия этих частиц. Кинетическая энергия движения системы и ее потенциальная энергия во внешних силовых полях во внутреннюю энергию не входят.

При этом представляет интерес не само значение внутренней энергии системы, а ее изменение при изменении состояния системы. Поэтому обычно принимают во внимание только те составляющие внутренней энергии, которые изменяются в рассматриваемых процессах изменения состояния вещества.

Согласно закону сохранения энергии внутренняя энергия системы является однозначной функцией состояния физической системы, то есть однозначной функцией независимых переменных, определяющих это состояние.

При переходе системы из состояния в состояние изменение ее внутренней энергии равно разности значений внутренней энергии в конечном состоянии U₂ и начальном состоянии U₁:

U = U₂ – U₁. (7.53)

Для любого замкнутого процесса, возвращающего систему в первоначальное состояние (U₂=U₁), изменение внутренней энергии системы равно нулю (U=0).

Изменение внутренней энергии системы в некоторых процессах (например, адиабатических, которые могут происходить в идеальных газах без теплообмена с окружающей средой) равно работе, производимой над системой:

U = A₁₂. (7.54)

В случае простейшей физической системы с малым межмолекулярным взаимодействием (идеальный газ), изменение внутренней энергии системы сводится к изменению кинетической энергии молекул, которая, в свою очередь, определяется только изменением температуры системы.

В физических системах, частицы которых взаимодействуют между собой (реальные газы, жидкости, твердые тела), внутренняя энергия включает также энергию межмолекулярных и внутримолекулярных взаимодействий. Внутренняя энергия таких систем зависит как от температуры, так и от давления (объема).

Экспериментально может быть измерено только изменение внутренней энергии в каком-либо процессе, то есть внутренняя энергия определяется с точностью до постоянного слагаемого. Методы статистической физики позволяют теоретически рассчитать внутреннюю энергию физической системы, но также лишь с точностью до постоянного слагаемого, зависящего от выбранного нуля отсчета.

В области низких температур при T0 внутренняя энергия конденсированных систем (жидких и твердых тел) приближается к определенному постоянному значению U₀ (третье начало термодинамики), которое может быть принято за начало отсчета внутренней энергии.

Внутренняя энергия является одним из термодинамических потенциалов, с помощью которого можно определить параметры состояния системы.

7.6.3. Силовые поля. Поле как форма существования материи. Поле как форма существования материи осуществляющая силовое взаимодействие между материальными объектами. Характеристики силовых полей

Взаимодействия элементов вещества (материальных точек, тел, частиц, зарядов) зависят от их взаимного расположения и движения.

Количественной мерой влияния одного тела на движение другого является сила взаимодействия.

Таким образом, свойства тела не локализованы только там, где находится центр его массы покоя, а распределены также и в пространстве, окружающем тело, образуя так называемое силовое поле. Силовому полю присущи свойства материи: пространственно-временная протяженность, инерция, движение, энергия и действие.

В физике рассматривают три вида силовых полей: гравитационное, электромагнитное и специфическое ядерное, или мезонное.

Силовое, потенциальное гравитационное поле создается взаимодействующими массами покоя тел, и поэтому является характерным для тел с большими массами и со значениями скорости движения гораздо меньшими, чем скорость распространения света в вакууме. В микромире силы тяготения теряют свое значение.

Для количественной характеристики поля тяготения в каждой его точке вводят две величины: напряженность и потенциал поля тяготения.

Напряженностью поля тяготения в данной точке называется векторная физическая величина, равная по величине и направлению силе, действующей на единичную массу, помещенную в данную точку поля:

. (7.55)

В соответствии со вторым законом Ньютона напряженность поля тяготения представляет собой ускорение силы тяжести, которое направлено всегда к массе, создающей его и одинаково для всех тел, помещенных в данную точку поля.

Подставив в формулу (7.55) численные значения массы и радиуса Земли, будем иметь значение ускорения силы тяжести Земли на её поверхности, ускорение свободного падения.

Если тела движутся вокруг какого-либо тела, то сила тяготения создает центростремительную силу, заставляющую их совершать вращательное движение вокруг этого тела. При круговой траектории движения ускорение силы тяжести является центростремительным ускорением

. (7.56)