§ 206. Зависимость внутренней энергии тела от его массы и вещества

В этом параграфе мы будем говорить об изменениях внутренней энергии тел, связанных с изменениями их температуры. Опыты Джоуля (§ 203) показывают, что при нагревании 1 кг воды на 1К внутренняя энергия этой воды увеличивается на 4,18 кДж. Для нагревания 10 кг воды придется затратить в 10 раз больше энергии и. т. д. Таким образом, увеличение внутренней энергии при нагревании воды прямо пропорционально ее массе. То же относится и к любому другому однородному телу. Так, чтобы нагреть большой утюг до определенной температуры, нужно дольше нагревать его, чем маленький. Зато большой утюг будет дольше остывать и при остывании отдаст окружающим телам больше теплоты. Например, большим утюгом, нагретым до определенной температуры, можно выгладить больше белья, чем маленьким утюгом, нагретым до той же температуры. Таким образом, при одинаковом изменении температуры внутренняя энергия большого утюга изменяется больше.

Итак, при определенном изменении температуры изменение внутренней энергии тела пропорционально его массе. Отсюда видно, что понятие массы тела, которое мы ввели при рассмотрении механических явлений, оказывается полезным и при рассмотрении тепловых явлений.

Наблюдения показывают также, что чем выше температура, до которой нагрето данное тело, тем больше времени займет процесс остывания; следовательно, телом будет отдано больше теплоты и его внутренняя энергия изменится больше. Таким образом, изменение внутренней анергии тела тем больше, чем больше изменение его температуры.

Внутренняя энергия тела зависит не только от массы и температуры, но также и от вещества этого тела. Возьмем два тела одинаковой массы, например два шара — один свинцовый, другой алюминиевый, — и нагреем их до одной и той же температуры, например до . Если теперь погрузить шары в одинаковые сосуды с водой, то увидим, что алюминиевый шар нагреет воду до большей температуры, чем свинцовый. Значит, при охлаждении данная масса алюминия отдаст больше теплоты, чем такая же масса свинца. Обратно, для нагревания на одно и то же число кельвин алюминию нужно сообщить больше теплоты, чем такой же массе свинца.

Таким образом, изменение внутренней энергии данной массы алюминия больше, чем изменение внутренней энергии такой же массы свинца при том же изменении температуры.

Так как внутренняя энергия сильно зависит от температуры, то иногда эту энергию называют тепловой. Однако внутренняя энергия тел зависит не только от температуры. Она меняется при сжатии жидкостей, при деформации твердых тел (§287), при плавлении вещества (§219) и его испарении (§ 297). Только для веществ, находящихся в газообразном состоянии, внутренняя энергия практически изменяется только при изменении температуры. Поэтому нецелесообразно заменять общепринятый в науке термин «внутренняя энергия» термином «тепловая энергия». Кроме того, применение последнего термина может привести к смешению с понятием количества теплоты, полученного телом (§ 204).