Question

Какой раздел физики изучает внутреннюю энергию тела?

Answer 1

Не уверен, что термодинамика - это исчерпывающий ответ. Он, безусловно, правильный... но не охватывает все возможные варианты. Ибо в самом вопросе не обозначено достаточно чётко, о какой внутренней энергии идёт речь.

К тому же термодинамика хорошо описывает тепловые процессы в газах, но гораздо хуже работает в жидкостях и тем более в твёрдых телах. Это объясняется плохой сжимаемостью жидкостей и твёрдых тел. Ведь основное, на что обращают внимание в термодинамических процессах, особенно как раз в газах, - как тепло превращается в работу, при этом молчаливо предполагается, что работа совершается за счёт расширения газа.

Поэтому внутренняя энергия изучается не одной только термодинамикой, ибо не все тела можно смоделировать идеальным газом, и тепловая энергия - не единственный вид внутренней энергии, заключённой в теле.

Есть ещё энергия связи. Даже в простом веществе атомы связаны друг с другом, и эта связь обладает некоторой энергией. Для твёрдых тел эта энергия изучается физикой твёрдого тела.

Внутренняя энергия может быть запасена в теле и в виде потенциальной. Сжатый газ - это простейщий пример, и изучаемый как раз термодинамикой, но вот сжатая пружина - это уже не термодинамика. Это тоже физика твёрдого тела.

В сложных веществах есть энергия связи атомов в молекулы, наглядным примером каковой может служить взрывчатка. В куске тротила до фига внутренней энергии, но эта энергия изучается скорее химией, нежели физикой.

Есть, наконец, и энергия, заключённая в ядрах атомов, и это тоже внутренняя энергия тела (кто скажет, что она снаружи, пусть первым бросит в меня камень). Этот вид энергии, как и способы её извлечения, изучается ядерной физикой и физикой элементаных частиц.

Answer 2

Термодинамика – раздел физики, изучающий возможности использования внутренней энергии тел для совершения механической работы.

Термодинамика рассматривает изолированные системы тел, находящиеся в состоянии термодинамического равновесия. Это значит, что в таких системах закончились все наблюдаемые макроскопические процессы. Принципиальным свойством термодинамически сбалансированной системы является выравнивание температуры всех ее частей. Если термодинамическая система была подвержена наружному воздействию, то в итоге она перейдет в другое сбалансированное состояние. Таковой переход именуется термодинамическим процессом. Если процесс протекает довольно медлительно (в пределе нескончаемо медлительно), то система в каждый момент времени оказывается близкой к сбалансированному состоянию. Процессы, состоящие из последовательности сбалансированных состояний, именуются квазистатическими. Одним из важных понятий термодинамики является внутренняя энергия тела.

Все макроскопические тела владеют энергией, заключенной снутри самих тел. Исходя из убеждений молекулярно-кинетиче­<wbr />ской теории внутренняя энергия вещества складывается из кинетической энергии всех атомов и молекул и возможной энергии их взаимодействия вместе. А именно, внутренняя энергия безупречного газа равна сумме кинетических энергий всех частиц газа, находящихся в непрерывном и хаотичном термическом движении. Внутренняя энергия безупречного газа зависит только от его температуры и не находится в зависимости от объема (закон Джоуля). Молекулярно-кинетиче­<wbr />ская теория приводит к последующему выражению для внутренней энергии 1-го моля безупречного одноатомного газа (гелий, неон и др.), молекулы которого совершают только поступательное движение:

Внутренняя энергия. Количество теплоты. Работа в термодинамике

Так как возможная энергия взаимодействия молекул находится в зависимости от расстояния меж ними, в общем случае внутренняя энергия U тела зависит вместе с температурой T также и от объема V:

U = U(T, V).

Таким образом, внутренняя энергия U тела совершенно точно определяется макроскопическими параметрами, характеризующими состояние тела. Она не находится в зависимости от того, каким методом было реализовано данное состояние. Принято гласить, что внутренняя энергия является функцией состояния. Внутренняя энергия тела может изменяться, если действующие на него наружные силы совершают работу (положительную либо отрицательную).