Внутренняя энергия: объяснение и задачи по физике 8 класса

Внутренняя энергия в физике 8 класса — это «запас движения и взаимодействия» всех частиц, из которых состоит тело. Она есть у чашки чая, у гвоздя и у воздуха в комнате, а менять её можно двумя способами. Ниже — определение, единица, примеры и одна разобранная задача.

Суть простыми словами

Представь футбольный стадион перед матчем: тысячи людей толкутся, ходят туда-сюда и задевают друг друга. Тело устроено похоже: молекулы всё время хаотично двигаются и взаимодействуют друг с другом. Подвижные частицы обладают кинетической энергией, а притяжение и отталкивание между ними даёт потенциальную энергию.

Внутренняя энергия тела — это сумма кинетической энергии хаотического движения всех его частиц и потенциальной энергии их взаимодействия. Обозначается буквой U, измеряется в джоулях (Дж), как любая энергия.

Что на неё влияет:

• температура: чем горячее тело, тем быстрее бегают частицы, и тем больше U;
• масса: два литра кипятка хранят больше энергии, чем один литр при той же температуре;
• состояние вещества: пар при 100 °C обладает большей энергией, чем вода той же массы при 100 °C.

От скорости самого тела она не зависит. Мяч в полёте и тот же мяч в руке, при одинаковой температуре, имеют одну и ту же внутреннюю энергию. Скорость мяча меняет другую энергию, механическую.

Два способа изменить U. Первый — совершить работу: потри ладони друг о друга, быстро накачай шину насосом, и они нагреются. Если тело само совершает работу, его энергия убывает: газ вылетает из баллончика и холодеет. Второй — теплопередача: поставь холодную ложку в горячий чай, и ложка получит энергию без всякой работы. Переданную при этом энергию называют количеством теплоты Q (тоже в джоулях).

Разобранная задача. Газ в цилиндре получил от нагревателя 300 Дж теплоты. Расширяясь, он поднял поршень и совершил работу 100 Дж. Как изменилась внутренняя энергия газа? Получено 300 Дж, а 100 Дж ушло наружу вместе с работой. Остаток 300 − 100 = 200 Дж пошёл на увеличение энергии. Ответ: внутренняя энергия газа выросла на 200 Дж.

Где встречается на экзамене

Элемент «Внутренняя энергия. Работа и теплопередача как способы изменения внутренней энергии» стоит в кодификаторе ОГЭ 2027 под номером 2.6, в разделе «Тепловые явления». По спецификации 2027 года тепловые явления встречаются в заданиях 1–5, 8, 12, 14–16 и 18–22. В демо 2027 тема спрятана в задании 14 ОГЭ по физике: там есть утверждение «На участке СD внутренняя энергия льда не меняется». Оно неверное. На этом участке лёд плавится, температура стоит, а внутренняя энергия растёт. В ответ демо (13) это утверждение не входит. К контрольной в конце года готовит страница ВПР по физике 8 класс.

Где ошибаются

1. Говорят «у холодного тела энергии нет». Любое тело при любой температуре выше абсолютного нуля обладает внутренней энергией. Ноль градусов Цельсия — не ноль энергии.
2. Путают тепло и энергию. Фраза «тело содержит тепло» неточна. Теплота Q — это не запас, а то, что передали при теплопередаче.
3. Считают, что при плавлении ничего не меняется. Температура на плато графика стоит, а внутренняя энергия растёт: потенциальная часть увеличивается, пока рвутся связи между частицами.
4. Забывают про второй способ. Нагрев от трения или от сжатия — это работа, а не теплопередача.
5. Связывают U с движением тела целиком. Разогнали телегу, а её внутренняя энергия не изменилась.

Шпаргалка за 30 секунд

Следующий шаг: посмотри, как тепло от нагревателя делится на изменение энергии газа и на работу, в тренажёре «Первый закон термодинамики», затем разберись, как энергия передаётся: виды теплопередачи, задачи по разделу есть в сборнике задач по физике 8 класса, а разобраться с преподавателем можно на пробном занятии по физике.