Внутренняя энергия U — это полная энергия хаотического (теплового) движения микрочастиц системы и потенциальная энергия их взаимодействия. В отличие от механической энергии тела как целого, внутренняя энергия не зависит от скорости или положения тела в пространстве, а определяется его температурой, объёмом и химическим составом. Первый закон термодинамики связывает изменение внутренней энергии (ΔU) с количеством переданной теплоты (Q) и совершённой над системой работой (W): ΔU = Q - W.
История
Идея о том, что теплота связана с движением частиц, восходит к работам Бенджамина Томпсона (графа Румфорда) в конце XVIII века, но количественное описание началось в XIX веке. Джеймс Джоуль в 1843 году экспериментально доказал эквивалентность механической работы и теплоты. Рудольф Клаузиус ввёл понятие внутренней энергии в 1850 году, сформулировав первый закон термодинамики. Людвиг Больцман развил статистическое толкование, связав внутреннюю энергию с микроскопическим движением частиц. Джеймс Клерк Максвелл и другие разработали кинетическую теорию газов, давшую явный вид зависимости внутренней энергии от температуры.
Как это работает
Изменение внутренней энергии системы происходит согласно первому закону термодинамики: ΔU = Q - W, где Q — теплота, переданная системе, W — работа, совершённая системой над внешней средой. Для идеального газа внутренняя энергия растёт с ростом температуры: быстрее движущиеся молекулы обладают большей кинетической энергией. При фазовых переходах (плавление, испарение) энергия тратится на преодоление межмолекулярных сил, а не на повышение температуры — так возникает скрытая теплота. В термодинамике неравновесных процессов локальное изменение внутренней энергии описывается уравнением теплопроводности. Тесно связанные понятия: энтропия (мера беспорядка), энтальпия (U + pV), свободная энергия. Законы: первый закон термодинамики, второй закон термодинамики (устанавливающий направление процессов).
Где применяется
Понимание внутренней энергии позволяет эффективно преобразовывать тепло в работу в двигателях и холодильных установках, а также прогнозировать химические реакции и фазовые переходы.
Любопытный факт
Даже лёд при температуре ниже нуля обладает внутренней энергией: молекулы воды в кристаллической решётке продолжают дрожать, и лишь при абсолютном нуле (−273,15 °C) это движение теоретически прекращается.
Миллиарды крошечных моторчиков гудят внутри каждого живого существа. Клетки без остановки перекачивают вещества, сжигают сахар, строят новые белки — и всё это невидимое движение греет нас изнутри. Чтобы поддерживать порядок, жизнь обязана рассеивать тепло в окружающую среду, как печка, которая никогда не гаснет.
Мощность этого внутреннего обогрева почти не зависит от размеров.
В кастрюле с кипящим супом бурлящие потоки выносят тепло к стенкам, и суп остывает. В токамаке — огромной магнитной бутылке для плазмы — происходит то же самое: вихри турбулентности уносят энергию наружу, мешая зажечь термоядерную реакцию. Но иногда плазма словно сама находит способ успокоиться.
Обычная батарея в телефоне дышит — но не воздухом, а контактом. Внутри твёрдого тела, где нет жидкостей, литий при зарядке прижимается к электролиту (веществу, проводящему ионы), а при разрядке отходит, словно лёгкое на вдохе и выдохе. Это «дыхание» — не поэзия, а физика: каждый цикл рождает и убивает точки касания, через которые идёт ток.
Эффект Мпембы — физический парадокс, при котором горячая вода при определённых условиях застывает быстрее, чем холодная. Чтобы понять механизм, учёные построили упрощённую модель: представьте шарик, движущийся в вязкой среде, напоминающей мёд, по ландшафту с двумя потенциальными ямами — «лунками» — и вертикальной стенкой с краю.
Гибкую полимерную нить, замкнутую в кольцо, поместили в микроскопический объём с жидкостью. Такая система способна либо поглощать воду и набухать, подобно губке, либо выталкивать влагу и сжиматься в плотный клубок. Переключение между этими состояниями определяется наличием и типом узла на нити.
Клетка — это город, где непрерывно работают крошечные моторы. Они перевозят грузы, двигают реснички и заставляют мышцы сокращаться. Вся эта работа выделяет тепло, как нагревается двигатель автомобиля. Но измерить это тепло у отдельного мотора размером в несколько нанометров — задача не из лёгких.
В морозильной камере обычная вода превращается в лёд, но в живых клетках такой лёд — катастрофа: острые кристаллы разрывают мембраны, как иглы воздушный шарик. Учёные, которые сохраняют клетки для медицины, научились избегать этой беды, но каждый метод говорит на своём языке. В новой работе предложен общий словарь — термодинамика.
В грандиозном космическом спектакле тёмная энергия — загадочная сила, ответственная за ускоренное расширение Вселенной — и тёмная материя — невидимое вещество, проявляющее себя лишь гравитацией — обмениваются энергией.
Вода в стакане остывает, лёд тает, а чайник нагревает плиту — так устроен мир: тепло всегда бежит от горячего к холодному. Это второе начало термодинамики, закон, который не нарушался ещё никогда. Но квантовый мир умеет удивлять: теперь физики заставили тепло течь в обратную сторону, не трогая сам закон, а используя хитрые свойства частиц.
Два кубита — квантовые биты, двухуровневые системы — скользят сквозь горячую и холодную ванны теплового поля. Один движется со скоростью 0,8 скорости света. В этот момент привычная термодинамика даёт трещину: движущийся кубит ощущает температуру иначе, чем покоящийся. Для него холодная ванна может оказаться горячее, а горячая — холоднее.
