§ 28. ВНУТРІШНЯ ЕНЕРГІЯ ТІЛА. ФОРМУЛА ДЛЯ ВНУТРІШНЬОГО ЕНЕРГІЇ ідеального ГАЗУ.
Внутрішньою енергією тіла називають суму кінетичної енергії теплового руху його атомів і молекул і потенціальної енергії їх взаємодії між собою.
У багатьох випадках механічна енергія тіла, що є сумою його кінетичної і потенційної енергії (див. §17), змінюється. Наприклад, м'яч, що котиться по полю, сповільнюється, а бурулька, яка впала з даху, розбивається об землю і перетворюється в декілька нерухомих осколків. Коли м'яч котиться по полю, він долає силу тертя, здійснюючи роботу, в результаті чого його кінетична енергія зменшується на величину досконалої роботи, а разом з нею - і швидкість. Робота проти сили тертя призводить до різних деформацій уздовж траєкторії м'яча, його нагріванню, а також до нагрівання всього того, чого він торкався під час руху. Механічна енергія вдарилася об землю бурульки частково витрачається на роботу, необхідну для того, щоб розколоти її на шматки, а інша частина енергії витрачається на деформацію цих осколків і ділянки землі, на який вони впали. Ну, а якщо ці осколки ковзали по землі перш, ніж зупинитися, то частина механічної енергії перетворилася і в тепло.
Так як енергія не може зникати або виникати з нізвідки, то зменшення механічної енергії рухомого м'яча і падаючої бурульки означає, що механічна енергія переходить в якийсь інший вид енергії, що залежить від внутрішнього стану тіла - його температури, енергії зв'язку між його частинами і т .п. Цей вид енергії тіла називають його внутрішньою енергією.
Внутрішня енергія тіла збільшується при нагріванні, так як з ростом температури кінетична енергія молекул теж росте. Другим доданком внутрішньої енергії є потенційна енергія зв'язків між частинками тіла, тому що ці частинки притягуються один до одного, чим і забезпечується його цілісність (рис. 28). Тому, внутрішню енергію тіла можна змінити, якщо стиснути, розтягнути або навіть роздрібнити його, здійснюючи, таким чином, роботу над тілом.
Однак внутрішня енергія тіла залежить не тільки від його температури, що діють на нього сил і ступеня роздробленості. При плавленні, затвердевании, конденсації і випаровування, тобто при зміні агрегатного стану тіла, потенційна енергія зв'язку між його атомами і молекулами теж змінюється, а значить, змінюється і його внутрішня енергія. Крім того, внутрішня енергія може змінюватися, коли речовина, з якої складається тіло, вступає в хімічну (або ядерну) реакцію, в результаті чого хімічна структура речовини (або структура атомного ядра) змінюється і його внутрішня енергія - теж.
Очевидно, що внутрішня енергія тіла повинна бути пропорційна його об'єму і дорівнює сумі кінетичної і потенційної енергії всіх молекул і атомів, з яких складається це тіло. На жаль, для більшості речовин величини кінетичної і потенційної енергії молекул невідомі, і тому обчислити значення внутрішньої енергії відповідних тел не представляється можливим. У той же час, ідеальний газ влаштований дуже просто і складається з молекул, які не взаємодіють між собою, а значить, потенційна енергія з взаємодії дорівнює нулю. Тому внутрішня енергія ідеального газу дорівнює кінетичної енергії теплового руху його атомів або молекул і може бути обчислена досить просто наступним чином.
Нехай газ одноатомний, тобто складається з окремих атомів, а не молекул, наприклад, будь-який з інертних газів. Тоді кінетична енергія атомів цього газу дорівнює кінетичної енергії їх поступального руху, так як обертальний відсутня. Тому для обчислення внутрішньої енергії, U одноатомного газу маси m необхідно помножити середню кінетичну енергію, ЕСР його атома (див. 23.6) на загальну кількість, N атомів в газі (див. 19.1 та 19.2):