Глава XI. Работа. Теплота. Закон сохранения энергии

§ 202. Изменения состояния тел

Рассматривая движение тела, брошенного вверх и затем падающего (§ 101), мы установили, что при отсутствии сопротивления воздуха сумма кинетической и потенциальной энергий движущегося тела остается постоянной. Этот закон относится также к любой системе тел, на которые не действуют никакие внешние силы и которые движутся без трения. Но мы указали тогда же, что при наличии сил трения или неупругих ударов этот закон не имеет места: сумма кинетической и потенциальной энергий не остается постоянной. Так, например, при падении камня в снег или песок и кинетическая и потенциальная энергии его убывают, поскольку он и опускается, и уменьшает свою скорость.

Иногда наблюдаются, наоборот, случаи увеличения суммы кинетической и потенциальной энергий тел. Например, если из покоящейся на столе бутылки с газированной водой под давлением углекислого газа пробка и часть жидкости вылетят из бутылки и поднимутся на некоторую высоту, то сумма кинетической и потенциальной энергий системы тел увеличится.

Эти изменения механической энергии никогда не проходят бесследно: одновременно происходят какие-либо изменения состояний тел, которые могут быть весьма разнообразными. Например, когда механическая энергия тел убывает, часто наблюдается нагревание тел. Так, нагреваются трущиеся и ударяющиеся тела: оси колес экипажа, пила и распиливаемое полено. Ударив несколько раз по куску свинца молотком и расплющив его, мы можем обнаружить его нагревание. Сгибая и разгибая проволоку, заметим, что место изгиба, где происходит трение внутренних частей проволоки, нагрелось. Наоборот, в случаях, когда механическая энергия возрастает, нередко наблюдается охлаждение тел. Например, в случае с вылетом пробки из бутылки c газированной водой охлаждается газ, избыточное давление которого вытолкнуло пробку.

Кроме нагревания, при трении могут происходить и другие изменения состояния тел. Одним из важных случаев изменения состояния тел является превращение их из сплошных в мелкораздробленные, т. е. размельчение тел. Простейшими примерами являются разбрызгивание воды, истирание куска мела при писании на доске, истирание карандаша при писании на бумаге. Таким размельчением является и размалывание зерна в муку между жерновами. Затупливание, а также и заточка режущих инструментов — ножей, бритв, токарных резцов и т. д. — также представляют собой измельчение их режущего края. Иногда трение или удар могут превращать тело из твердого состояния в жидкое.

На основании подобных фактов мы ввели понятие внутренней энергии тел (§ 104). Мы указали тогда, что внутренняя энергия тела зависит от его температуры, от того, является ли тело твердым, жидким или газообразным, находится ли оно в мелкораздробленном состоянии или является сплошным, и т. д. Если под действием внешней силы производится работа против сил трения, в результате чего температура тела повышается или оно измельчается, расплавляется или испаряется, то внутренняя энергия тела увеличивается. Если, наоборот, температура тела понижается, если оно превращается из газообразного в жидкое и т. п., то внутренняя энергия тела уменьшается.

Нам предстоит теперь более подробно рассмотреть явления, связанные с изменением внутренней энергии тел.