Внутренняя энергия и способы её изменения

Если долго бить молотком по шляпке гвоздя, то мы заметим, что молоток и шляпка нагрелись. Если долго тереть руку о ткань, то рука и ткань нагреются. Получается, что некоторая работа заставила тела нагреться. Мы помним, что скорость молекул связана с температурой тела, это значит, что, когда мы тратим энергию на работу, описанную выше, часть энергии передаётся молекулам, за счёт чего увеличивается их скорость и, как следствие, температура тела.

Каждая отдельная молекула обладает массой и скоростью, это означает, что она обладает кинетической энергией.

Но одной кинетической энергией дело не заканчивается. Мы помним, что между молекулами действуют силы притяжения и отталкивания, а раз есть силы, то есть и связанная с ними энергия: чтобы растащить притянутые друг к другу молекулы подальше, придётся совершить работу. Эту энергию называют потенциальной энергией взаимодействия молекул, и зависит она не от того, как быстро молекулы носятся, а от того, как далеко они друг от друга. Получается, что внутренняя энергия тела – это кинетическая энергия движения всех его молекул плюс потенциальная энергия их взаимодействия.

Именно из-за второго слагаемого происходит вещь, которая поначалу кажется странной. Лёд, который уже нагрелся до нуля градусов, всё равно требует энергии, чтобы растаять, и пока он тает, температура стоит на месте. Скорость молекул не растёт, значит, кинетическая энергия не меняется – вся подведённая энергия уходит на то, чтобы разорвать связи между молекулами, то есть в потенциальную часть. Но об этом мы подробнее поговорим в теме о плавлении. Конечно, кинетическая энергия каждой отдельной молекулы будет невероятно мала, но ведь молекул невероятно большое количество, и, если сложить кинетическую энергию каждой отдельной молекулы, получится достаточно большое число. Например, в $1 м^3$ воздуха вокруг нас примерно $250000 Дж$ энергии, и если бы мы смогли воспользоваться этой энергией, то её хватило бы на то, чтобы поднять груз массой $1000 кг$ на высоту $25 м$.