§ 5. Внутренняя энергия

В физике выделяют две основные формы энергии: потенциальную и кинетическую. Первая возникает благодаря взаимному расположению тел, а вторая проявляется при их перемещении. Однако в окружающем мире существуют объекты, которые не двигаются как целое, но обладают колоссальным запасом энергии. Это связано с тем, что любое вещество состоит из мельчайших частиц. Эти частицы никогда не замирают, а постоянно совершают хаотичные колебания. Следовательно, даже неподвижный кусок металла внутри наделён кинетической энергией своих составляющих.

Помимо движения, частицы вещества постоянно притягиваются или отталкиваются. Это взаимодействие означает наличие потенциальной энергии на микроуровне. Если сложить кинетическую энергию теплового движения всех частиц тела вместе с потенциальной энергией их взаимного воздействия, мы получим фундаментальную характеристику вещества. Именно эту сумму физики называют внутренней энергией тела. Для обозначения данной величины используют заглавную латинскую букву U, а в Международной системе единиц её измеряют в джоулях. Энергия отдельной молекулы ничтожна, но при учёте множества частиц итоговая величина становится огромной (рис. 1: в левой рамке частицы разлетаются со стрелками — это кинетическая доля, в правой они стянуты пружинками — потенциальная; сложи обе рамки и получишь U).

Механическая энергия макроскопического тела способна полностью перейти во внутреннюю энергию этого же объекта. Для демонстрации представим опыт. Возьмём тяжёлый свинцовый шар и поднесём его над массивной свинцовой плитой. Отпустив шар, мы увидим, как он ускоряется при падении. Высота его нахождения над поверхностью постепенно снижается, а скорость возрастает. Потенциальная энергия шара плавно переходит в кинетическую, которая достигает максимума перед соприкосновением с опорой.

В момент удара шар резко останавливается, и его макроскопическая кинетическая энергия обнуляется.