Внутренняя энергия тела

Внутренняя энергия тела.

Все мы слышали термин «внутренняя энергия тела». Этим видом энергии занимается целый раздел в физике – термодинамика. Несколько предложений из учебника, чтобы вспомнить суть дела.

«Термодинамика – это теория тепловых явлений, в которой не учитывается атомно-молекулярное строение тел. …Совокупность физических тел, изолированных от взаимодействия с другими телами, называют изолированной термодинамической системой. Тело, как система из составляющих его частиц обладает внутренней энергией. С позиции молекулярно-кинетической теории, внутренняя энергия – это сумма потенциальной энергии взаимодействия частиц, составляющих тело, и кинетической энергии их беспорядочного теплового движения.

Кинетическая энергия беспорядочного движения частиц пропорциональна температуре Т, потенциальная энергия взаимодействия зависит от расстояния между частицами, то есть от объёма V тела. Поэтому в термодинамике внутренняя энергия U тела определяется как функция его макроскопических параметров, например, температуры Т и его объёма V.

Одним из основных законов физики является закон сохранения и превращения энергии. В термодинамике закон сохранения энергии формулируется так: при любых процессах в изолированной термодинамической системе внутренняя энергия остаётся неизменной: U=const.

Внутренняя энергия идеального газа. Если потенциальная энергия взаимодействия молекул равна нулю, внутренняя энергия идеального газа равна сумме кинетических энергий хаотического теплового движения всех его молекул.»

Чтобы было всё предельно ясно, вспомним, что такое кинетическая и потенциальная энергия.

«Физическая величина, равная половине произведения массы тела на квадрат его скорости, называется кинетической энергией тела: Ek=mv2/2. Кинетическая энергия тела массой m, движущегося со скоростью v, равна работе, которую должна совершить сила, действующая на покоящееся тело, чтобы сообщить ему эту скорость».

«Физическую величину, равную произведению массы тела на модуль ускорения свободного падения и на высоту, на которую поднято тело над поверхностью Земли, называют потенциальной энергией тела: Ep=mgh».

Как видим из вышеизложенного, внутреннюю энергию тела свели к банальной сумме различных характеристик движения частиц их слагающих. Возникает несколько вопросов. Из определения потенциальной энергии, становится непонятным выражение: «потенциальной энергии взаимодействия частиц».

Имеет ли, скажем, кусок кристалла кварца внутреннюю энергию? Кристаллическая решётка кварца состоит из атомов кремния и кислорода, которые никуда не перемещаются как в идеальном газе, а постоянно вибрируют на своих местах. Если предположить, что атомы кислорода или кремния имеют поступательные движения вверх-вниз относительно центра Земли, то их потенциальная энергия будет равна: Ep=mgh+mg(-h)=0. Остаётся кинетическая энергия. Атомы не бьются друг о друга, но даже если их представить в виде бильярдных шаров, то при столкновении двух атомов с одинаковой скоростью и массой, их результирующая будет равна нулю, то есть атомы остановятся. Выходит, что в изолированной термодинамической системе без притока дополнительной энергии тело должно остывать вплоть до абсолютного нуля. Где спрятался червячок подвоха? Закон сохранения и превращения энергии гласит: «при любых процессах в изолированной термодинамической системе внутренняя энергия остаётся неизменной: U=const». Неточность допущена как в объяснении внутренней энергии, так и в понятии «изолированная термодинамическая система».

Возможно кого-то это будет раздражать, но повторюсь в сотый раз, что атом является сгустком направленной гравитации поэтому, когда атомы кремния и кислорода в куске кварца делают поступательные движения на своих местах в кристаллической решётке, то есть двигаются с ускорением, то они постоянно выдают электромагнитное излучение, которое мы с вами называем инфракрасным или тепловым. Каждое тело постоянно излучает в пространство инфракрасные лучи и именно по этой причине энергия передаётся от горячего тела более холодному, а не наоборот.

Что касается изолированной термодинамической системы, то её очень трудно сделать. Представим стеклянный цилиндр внутри другого, между которыми вакуум. Это изолированная система? Нет. Кто мешает проходить излучению? Вы скажете: «Но ведь проявляется эффект термоса?» Да, проявляется, но не от того, что в безвоздушном пространстве нечему переносить тепло, а потому, что на границе двух сред происходит преломление электромагнитной волны. Пузырёк воздуха в воде выглядит, как идеальное зеркало, потому что отражает большую часть света.

Плотность стекла повыше, чем у воды, а вакуум, так вообще плотности не имеет. Вот и отражается инфракрасная волна от предмета в цилиндре обратно внутрь. Именно преломление и отражение тепловых волн на границе двух сред делает меха, вату, пенопласт и так далее, отличными теплоизоляционными материалами. Базальтовая вата лучше сохраняет тепло чем х/б вата потому, что плотность её волокон гораздо выше, а, следовательно, и преломление волны на границе двух сред больше.

На «изолированную термодинамическую систему» постоянно идёт поток теплового излучения от воздуха, окружающих предметов, людей, Солнца и так далее. Я не думаю, что если поместить тёплое тело в безвоздушное пространство космоса, «где нечему переносить тепло», то оно останется таким же тёплым. Освещённая поверхность Луны нагревается до 1200 С, при этом от Солнца она находится на том же расстоянии, как и Земля, остывает до – 1600 С и конвекция тут не причём, ведь переносчика тепла попросту нет, хотя в учебниках дают определение, что «конвекция – явление переноса теплоты в жидкостях или газах, или сыпучих средах потоками вещества». Да, действительно при конвекции вещества перемещаются, но только из-за того, что получив порцию излучения они нагреваются, расширяются, становятся легче вследствие уменьшения их плотности и поднимаются в верхние слои, где давление, а следовательно и плотность меньше. И если с конвекцией в атмосфере и гидросфере более или менее всё понятно, то с конвекцией магмы в недрах планеты согласиться не могу. Тёплые струи в чайнике наглядно показывают конвекцию, но земля не чайник. Кто пытался моделировать Землю? Почему бы не налить в стеклянный шар воду с алюминиевой фольгой, в центре которого находится нагревательный элемент, нагреть его, находясь на орбитальной станции в невесомости, и понаблюдать за конвекцией замкнутой системы вращающегося шара. Результат непредсказуем.

Внутренняя энергия тела – его тепло, зависит от внутренней энергии окружающих тел и не переносится молекулами воздуха или молекулами других веществ. В противном случае, погреться теплом Солнышка было бы проблематично.

Каждый из нас хоть раз в жизни проветривал душную комнату. После открытия форточки мы ощущаем холодные потоки свежего воздуха. Почему? Вокруг наших волосатых рук или ног создаётся воздушная подушка, которая препятствует прямому контакту холодного воздуха с кожей и, тем не менее, мы отлично знаем, что свежий воздух течёт справа, а слева находится тёплая батарея.

Наше тело постоянно излучает в пространство тепловые волны, а из окружающей среды получает определённое количество инфракрасного излучения. Баланс между принимаемой и отдаваемой энергией называется комфортом. Когда в комнате возникло течение холодного воздуха, наша рука отдала в пространство определённое количество лучистой энергии, но получила меньше, чем получала до открытия форточки. Баланс нарушился, рука остыла, периферическая нервная система сигнализирует организму о необходимости активации окислительно-восстановительных реакций с целью повышения температуры тела.

Если рассматривать объяснения классической физики о теплопередаче, где «вялые» молекулы воздуха подлетают к быстрым молекулам горячей руки и «отфутболиваются» ими, при этом нагреваются, возникают некоторые противоречия. Ускорить движение молекул воздуха мы можем простым увеличением скорости потока воздушных масс. Но чем с большей силой мы будем дуть на руку струёй холодного воздуха, тем сильнее она остынет, так как она отдаст энергию большему объёму холодного воздуха.

Существует ошибочное мнение, что метеорит или крыло сверхзвукового самолёта нагреваются от трения о воздух. Это не так. И метеорит, и крыло движутся в инерционной системе. Воздух не может мгновенно расступиться и так же мгновенно сомкнуться, поэтому перед крылом или метеоритом возникает область высокого давления, то есть воздух сжимается. Мы знаем, что при сжатии воздух нагревается. Лучистая энергия сжатого воздуха нагревает предмет, при этом сам воздух нагревается слабо. Он сжался перед метеоритом, от чего разогрелся, затем расширился за метеоритом, от чего остыл. Нагреется ли тело до критических температур или нет, зависит от баланса получаемой лучистой энергии от сжатого воздуха и отдаваемой лучистой энергии тела в пространство. Если крыло получает от воздуха больше тепла, чем излучает в пространство, то оно нагревается. Что бы уменьшить это нагревание необходимо уменьшить объёмы сжимаемого воздуха пред предметом, то есть сделать крыло более плоским, либо применить другие хитрости, о которых я не буду распространяться в этой статье. Чем выше скорость движения тела, тем сильнее оно сжимает перед собой воздух, тем быстрее разогревается. Метеориты движутся с космическими скоростями, поэтому сжатие воздуха получается колоссальное, нагрев происходит моментально. Вы возразите, «неужели от сжатого воздуха может расплавиться и сгореть железный метеорит». Мороз -200 С, в цилиндре холодного дизельного двигателя машины или трактора происходит сжатие воздуха, при этом его температура возрастает до таких значений, что впрыснутое топливо воспламеняется. Глупо сравнивать скорость движения поршня и метеорита.

Ещё один вопрос. Можно ли охладить тело до абсолютного нуля, и может ли существовать материя при такой температуре? Теоретически можно, но практически, трудно. Невозможно создать изолированную термодинамическую систему. Даже если поместить тело в далёкий уголок межгалактического пространства, где властвует космический холод, то всё равно это тело будут освещать далёкие звёзды и туманности, а это уже приток энергии. Что касается существования материи при критической температуре, то абсолютный ноль, это показатель количества энергии в теле, а не состояние материи. Атом как был атомом, так им и останется, только у него будет отсутствовать тепловое движение.

Не могу не поделиться своими наблюдениями гравитационного взаимодействия молекул и атомов в веществах.

Лето. Рассвет. По небольшой лужице на лугу бегает водомерка. Каждая травинка увенчана крупным бриллиантом россы.

Достаю из кармана бутылку «Fairy», которую всегда ношу с собой. Кончик зубочистки макаю в средство для мытья посуды, затем касаюсь зеркала лужицы. Водомерка куда-то поплыла, ножки её начали проваливаться в воду. Что случилось? Говорят, плёнка поверхностного натяжения нарушилась, поэтому водомерка потонула. Так ли это? Выходит, если коснуться до росинки Fairy, то лишившись плёнки поверхностного натяжения, росинка разлетится на части как лопнувший шарик. Трогаем росинку зубочисткой. Капля скатывается по травинке. Что мы выяснили?

Капля росы, как и капля ртути, имеет форму шара. Эта форма никоим образом не связана с так называемой плёнкой поверхностного натяжения, которую в капле ртути никто не собирается искать. Взаимное притяжение молекул воды, равно как и атомов ртути пытается до минимума уменьшить расстояние между частицами, что и приводит к образованию шара. Fairy – поверхностно активное вещество имеет большую молекулу, которая внедряясь в объём воды уменьшает взаимное притяжение молекул Н2О. Рассматривая механизмы действия ПАВ, почему-то считают, что ПАВ работают на границе двух сред – жидкой и твёрдой или газообразной. Складывается впечатление, что в объёме воды молекул поверхностно активных веществ и нет. Но это не так. Если в стакан с водой аккуратно опустить иголку, то анна будет плавать. Касаясь поверхности воды ПАВ, иголка резко двигается в сторону, ударяется о стакан и тонет. Но бывает, что игла не касается стенки стакана, в этом случае она продолжает плавать на поверхности. И сколько бы мы не макали рядом с ней Fairy с разных сторон, положение её остаётся неизменным. Почему при прикосновении зубочистки с Fairy к капле росы она упала? Потому, что гравитационное притяжение молекул воды в объёме росинки ослабло. Капля чистой воды насажена на кончик травинки. Сила притяжения молекул воды между собой выше силы притяжения молекул воды с молекулами целлюлозы или воска листа, поэтому не происходит смачивания последнего. При добавлении больших молекул ПАВ целостность капли нарушается, сила притяжения молекул воды друг к другу становится соизмеримой с силой притяжения молекул воды с молекулами целлюлозы, других углеводородов или жирных кислот. Происходит смачиваемость веществ, ранее проявлявших гидрофобность.

В роли ПАВ могут выступать молекулы солей, выщелоченных жирных кислот (мыло) и многие другие соединения, которые с водой образуют растворы. ПАВы не воздействуют на вещества, они снимают гидрофобность, а в роле растворителя выступает вода. Майонез на 67% состоит из масла, но прекрасно растворяется в воде. Если во время мытья посуды на штаны попала пена Fairy, то после высыхания воды остаётся жирное пятно. Вода является растворителем, а не Fairy. Вода – это уникальное соединение, её можно представить и как основание водорода – Н(ОН), и как водородную кислоту – ННО. Два в одном, поэтому рН=7. Она является универсальным растворителем как органических, так и неорганических соединений. Все знают, что горячая вода лучше растворяет различные вещества, чем холодная. Происходит это не из-за того, что молекулы воды быстрей подлетают к молекулам вещества, а потому, что из-за интенсивного теплового движения увеличивается расстояние между молекулами воды, жидкость расширяется, ослабляется гравитационное притяжение молекул воды друг к другу, что позволяет притягиваться им к молекулам других веществ.

На примере капли росы, или шарика ртути, или шара воды на орбитальной станции, мы можем наглядно видеть силу гравитационного притяжения молекул и атомов в веществе. И если в воде ослабить её достаточно легко, то преодолеть это притяжение в куске металла очень трудно. Именно гравитационное притяжение атомов металла позволяет ртути «растворять» золото.

УДК 531.51; ББК 22.62

Отпечатано с готового оригинал-макета

ISBN 978-5-9973-2396-7

a.s.gerasimov@ya.ru

© Герасимов С.В., Герасимов А.С., 2013