Внутренняя энергия физического тела включает в себя кинетическую энергию движения частиц (атомов и молекул) и потенциальную энергию их взаимодействий. Внутренняя энергия не зависит от движения или положения тела в пространстве, а определяется только состоянием его частиц. Температура тела является мерой средней кинетической энергии движения частиц.
Рассмотрим каждый из упомянутых объектов:
Кубик льда при температуре 0°C неподвижно лежащий на земле:
- Температура 0°C означает, что частицы (молекулы воды) в кубике льда имеют определенную кинетическую энергию, хотя и невысокую. Несмотря на то, что кубик льда тверд и его молекулы занимают фиксированные позиции в кристаллической решетке, они все еще колеблются вокруг своих положений равновесия. Следовательно, кубик льда обладает внутренней энергией.
Мяч:
- Внутренняя энергия мяча, как и любого другого тела, определяется его температурой и структурой материала. Мяч состоит из молекул, которые имеют кинетическую и потенциальную энергию. Даже если мяч неподвижен, его молекулы все равно находятся в движении, так как температура выше абсолютного нуля. Следовательно, мяч также обладает внутренней энергией.
Бортовой журнал, находящийся на борту космического корабля:
- Ситуация аналогична предыдущим случаям. Журнал состоит из молекул, которые имеют кинетическую и потенциальную энергию. Даже если он находится в невесомости и неподвижен относительно космического корабля, его молекулы находятся в движении из-за ненулевой температуры. Значит, журнал тоже обладает внутренней энергией.
Таким образом, из перечисленных тел ни одно не имеет внутренней энергии, равной нулю. Для внутренней энергии, равной нулю, требуется, чтобы температура тела была равна абсолютному нулю (0 К или -273,15°C). На практике достижение абсолютного нуля невозможно, и все реальные тела всегда имеют некоторую внутреннюю энергию.