Реферат: Может ли энергия быть отрицательной?

В механике для оценки взаимодействия (связи) тел мы использовали такую физическую величину, как потенциальная энергия взаимодействия. В кинетической теории вещества связь частиц вещества характеризуется энергией их взаимодействия Есв (эта энергия не всегда потенциальная). Тот факт, что частицы в жидкости и в твердом теле удерживают друг друга, а в газах нет, подсказывает, что энергия связи частиц друг с другом в этих средах разная.

Газ. В газе расстояние между частицами велико и их связь слаба. Частицы изредка сталкиваются друг с другом и со стенками сосуда. Соударения носят упругий характер, т.е. полная энергия и полный импульс сохраняются. В промежутках между соударениями частицы движутся свободно, т.е. не взаимодействуют. Разумно считать, что энергия взаимодействия (связи) частиц в газе приближенно равна нулю.

Жидкость. В жидкости частицы сближены, они частично соприкасаются. Их взаимное притяжение велико и характеризуется энергией связи Есв(вода). Чтобы оторвать одну молекулу от основной массы жидкости, необходимо совершить работу A > 0. В результате молекула станет свободной, как в газе, т.е. ее энергию связи можно будет считать равной нулю. По закону сохранения энергии Есв(вода)+ А = 0, откуда Есв(вода) = –А < 0.

Чтобы определить численное значение энергии Есв(вода) частиц в воде, обратимся к эксперименту. Уже бытовые наблюдения подсказывают: чтобы испарить воду, кипящую в чайнике, нужно сжечь некоторое количество дров или газа. Другими словами, нужно совершить работу. С помощью термометра можно убедиться, что температура кипящей воды и температура пара над ней одинаковы. Следовательно, одинакова средняя энергия движения частиц в кипящей воде и в паре. тепловая энергия, передаваемая кипящей воде от топлива, преобразуется в энергию взаимодействия частиц испаряющейся воды. Значит, энергия Есв частиц в кипящей воде меньше, чем в водяном паре. Но в паре Есв(пар) = 0, следовательно, энергия взаимодействия частиц в жидкости меньше нуля, т.е. отрицательна.

Измерения с помощью калориметров показывают, что для испарения 1 кг кипящей воды при нормальном атмосферном давлении нужно передать ей около 2,3  106 Дж энергии. Часть этой энергии (приблизительно 0,2  106 Дж) затрачивается на то, чтобы образующийся водяной пар смог вытеснить частицы воздуха из тонкого слоя над поверхностью жидкости. Остальная энергия (2,1  106 Дж) идет на увеличение энергии связи частиц воды при их переходе из жидкости в пар (рис. 6). Расчеты показывают, что в 1 кг воды содержится 3,2  1025 частиц. Поделив энергию 2,1  106 Дж на 3,2  1025, получим: энергия связи Есв каждой частицы воды с остальными частицами при ее переходе из жидкости в пар увеличивается на величину 6,6  10–20 Дж.

Твердое тело. Чтобы расплавить и превратить лед в воду, нужно совершить работу или передать льду определенное количество теплоты. Энергия связи молекул воды в твердой фазе Есв < 0, причем эта энергия по модулю больше, чем энергия связи молекул воды в жидкой фазе. При таянии льда его температура остается равной 0 °С; такую же температуру имеет и образующаяся при таянии вода. Следовательно, чтобы перевести вещество из твердого состояния в жидкое, нужно увеличить энергию взаимодействия его частиц. Чтобы растопить 1 кг уже начавшего таять льда, нужно затратить 3,3  105 Дж энергии (рис. 7). Практически вся эта энергия идет на увеличение энергии связи частиц при их переходе изо льда в воду. Поделив энергию

3,3  105 Дж на число 3,2  1025 частиц, содержащихся в 1 кг льда, найдем, что энергия Есв взаимодействия частиц льда на 10–20Дж меньше, чем в воде.

Итак, энергия взаимодействия частиц пара равна нулю. В воде энергия связи каждой ее частицы с остальными частицами приблизительно на 6,6  10–20 Дж меньше, чем в паре, т.е. Есв(вода) = –6,6  10–20 Дж. Во льду энергия связи каждой частицы со всеми остальными частицами льда на 1,0  10–20 Дж меньше, чем в воде (и соответственно на 6,6  10–20 Дж + 1,0  10–20 Дж = 7,6  10–20 Дж меньше, чем в водяном паре). Значит, во льду Есв(лед) = –7,6  10–20 Дж.

Рассмотрение особенностей энергии взаимодействия частиц вещества в различных агрегатных состояниях важна для понимания преобразования энергии при переходах вещества из одного агрегатного состояния в другое.

Приведем, в частности, примеры вопросов, на которые теперь ученики смогут ответить без особых затруднений.

1. Вода кипит при постоянной температуре, поглощая энергию от пламени газовой горелки. Что происходит при этом?

А) Увеличивается энергия движения молекул воды;

Б) увеличивается энергия взаимодействия молекул воды;

В) уменьшается энергия движения молекул воды;

Г) уменьшается энергия взаимодействия молекул воды.

(Ответ: Б.)

2.При плавлении льда:

А) увеличивается кинетическая энергия куска льда;

Б) увеличивается внутренняя энергия льда;

В) уменьшается потенциальная энергия куска льда;

Г) уменьшается внутренняя энергия льда.

(Ответ: Б.)

До сих пор мы рассматривали энергию взаимодействия тел, притягивающихся друг к другу. При изучении электростатики полезно обсудить с учениками вопрос, положительна или отрицательна энергия взаимодействия частиц, если они отталкиваются друг от друга. При взаимном отталкивании частиц нет необходимости сообщать им энергию, чтобы удалить далеко друг от друга. Энергия взаимодействия преобразуется в энергию движения разлетающихся частиц и убывает до нуля с ростом расстояния между частицами. В данном случае энергия взаимодействия – положительная величина. Выявленные особенности энергии взаимодействия можно закрепить при обсуждении таких вопросов:

1. Положительна или отрицательна энергия взаимодействия двух разноименно заряженных шариков? Обоснуйте свой ответ.

2. Положительна или отрицательна энергия взаимодействия двух одноименно заряженных шариков? Обоснуйте свой ответ.

3. Два магнита сближаются одноименными полюсами. Увеличивается или уменьшается энергия их взаимодействия?

Энергия связи в микромире

Согласно представлениям квантовой механики атом состоит из ядра, окруженного электронами. В системе отсчета, связанной с ядром, полная энергия атома складывается из энергии движения электронов вокруг ядра, энергии кулоновского взаимодействия электронов с положительно заряженным ядром и энергии кулоновского взаимодействия электронов друг с другом. Рассмотрим самый простой из атомов – атом водорода.

Считается, что полная энергия электрона равна сумме кинетической энергии и потенциальной энергии кулоновского взаимодействия с ядром. Согласно модели Бора полная энергия электрона в атоме водорода может принимать только определенный набор значений: