Внутрішня енергія

Молекули у всіх тілах знаходяться у неперервному русі та взаємодіють між собою. Енергію їхнього руху і взаємодії називають внутрішньою. Погодься, термін хороший і зрозумілий, адже носії цієї енергії знаходяться всередині тіла.

До внутрішньої енергії, як і до інших її видів, у людства практичний інтерес. Щоб зрозуміти, як можна використати внутрішню енергію, треба відповісти на запитання: як її можна змінити, тобто як забрати у тіла або, навпаки, передати йому.

Один зі способів зміни внутрішньої енергії тіла – теплообмін – добре тобі знайомий. Знімаєш гарячий чайник з плити, а за деякий час він охолоджується і віддає частину своєї енергії навколишньому повітрю. Між чайником і повітрям відбувся теплообмін. Ти готуєш чай і наливаєш гарячу воду у склянку. Знову теплообмін – між чаєм і стінками склянки. А якщо залишив гарячий напій на столі, то внаслідок теплообміну частина внутрішньої енергії напою потрапить у навколишнє середовище.

Величину внутрішньої енергії, яка під час теплообміну передається від одного тіла до іншого, називають кількістю теплоти.

Коли можливий теплообмін?

Коли тілу передається теплота, його внутрішня енергія збільшується. Теплота і температура тісно пов'язані між собою, але ти розумієш, що це не одне й те саме. Доки плавиться лід, температура його не змінюється, хоч теплоту він поглинає. Отож, надана тілу теплота не завжди змінює його температуру. А ось зміна температури тіла завжди спричиняє зміну енергії руху його молекул, а отже, і зміну внутрішньої енергії.

Що більше тіло, то більше у ньому частинок, тому й загальна їхня енергія більша. Тому дві залізні кульки – маленька і велика – за однакової температури мають різну внутрішню енергію. Але чи означає це, що між ними відбудеться теплообмін? Чи буде внутрішня енергія від більшої кульки передаватися до меншої? Адже запас внутрішньої енергії великої кулі більший, ніж у малої. Досліди підтверджують: між двома тілами, що мають однакову температуру, але різні маси, теплообмін не відбувається. Отже, різниця внутрішніх енергій тіл не є підставою для теплообміну між ними.

Якщо ж контакт відбувається між тілами з різною температурою, процес передачі внутрішньої енергії неминучий. Малесенький шматок заліза віддасть частину своєї внутрішньої енергії великій залізній кулі, якщо його температура хоча б незначно більша, ніж температура кулі.

Отже, обмін внутрішньою енергією між тілами можливий лише за наявності різниці температур. І що більша ця різниця, то інтенсивніший теплообмін.

Вимірювання температури

У давнину про температуру тіла висновок робили на дотик, за відчуттями. Ідеї щодо приладу для вимірювання температури з'явилися у XVI столітті. У 1597 році Галілео Галілей демонстрував на своїх лекціях термоскоп – прообраз першого термометру. Це була скляна трубка з розширенням у верхній частині, опущена в посудину з рідиною. За нагрівання повітря розширювалося, і висота стовпчика рідини у трубці зменшувалася, а за охолодження повітря рідина, навпаки, піднімалася. Але ця зміна залежала не лише від температури, але й від атмосферного тиску. Сучасники Галілея вдосконалили термоскоп, додавши до нього шкалу. Згодом трубку заповнили спиртом, викачали з неї повітря, запаяли і перевернули. За нагрівання спирт збільшувався в об'ємі, і рівень рідини в трубці піднімався. Цей прилад можна назвати першим термометром.

У 1702 році Гійом Амонтон удосконалив термометр Галілея: наповнив ртуттю U-подібну трубку, один кінець якої був відкритий, а другий з'єднаний з балоном, у якому була робоча речовина – повітря. Це був перший газовий термометр. Були й інші термометри, але кожний конструктор встановлював свою температурну шкалу. Отож, термометри різної конструкції за однакових умов показували різну температуру.

Придатні для практичних цілей термометри вперше виготовив голландський майстер-склодув Фаренгейт на початку XVIII століття. Один і той самий термометр завжди дає однакові покази, якщо його опустити у суміш води і льоду або у киплячу воду. Тому вчені зробили висновок, що процеси плавлення льоду і кипіння рідини завжди протікають за сталої температури. Ртутні і спиртові термометри Фаренгейта мали таку ж форму, як і сучасні. Реперними точками у цих шкалах були:
1) рівноважна температура суміші води, нашатирного спирту і кухонної солі у пропорції 1:1:1 – 0 °F; (Фаренгейт вважав, що це найнижча температура, яку можна отримати штучно);
2) температура плавлення льоду 32 °F;
3) нормальна температура тіла людини 96 °F. Температура кипіння води (212 °F) не використовувалася у цій шкалі як опорна точка. Шкала Фаренгейта досі використовується у Англії та США.