В физике принято относить макро- и микроявления к разным группам. Таким образом, общая макроскопическая энергия (кинетическая + потенциальная) называется механической энергией. Общая микроскопическая энергия называется внутренней энергией. То есть полная энергия объекта представляет собой совокупность механической и внутренней энергии.

Помимо этой видимой сложности, не следует забывать о физическом смысле энергии, который замечательно прост:

«Энергия существует, если есть движение или возможность движения».

Однако понятие движения относительно, оно зависит от системы отсчета: то есть понятие энергии также не является абсолютным. Объект может обладать энергией в одной системе отсчета и не обладать ею в другой.

Представьте, что вы в машине, едущей со скоростью 90 км/ч, рядом с открытым окном, и вытяните руки в стороны, так чтобы одна рука высунулась наружу, а другая осталась внутри. Если вы сидите не двигаясь, вы не причините никакого вреда рядом сидящему пассажиру. Но человек, стоящий близко к краю дороги, будет мгновенно сбит вашей рукой, даже если вы будете сидеть неподвижно. Иными словами, ваша кинетическая энергия равна нулю с точки зрения пассажира (система отсчета машины), но она весьма велика с точки зрения человека у края дороги (земная система отсчета).

НЕСКОЛЬКО ЗАМЕЧАНИЙ

В физике кинетическая энергия обозначается E_>k, а потенциальная E_>p. Они делятся на микроскопическую и макроскопическую составляющие, что можно выразить как:

Макроскопические составляющие складываются в механическую энергию, обозначаемую

Микроскопические составляющие складываются во внутреннюю энергию, обозначаемую

Следовательно, общая энергия равна: E = U + E_>m.

Если физический смысл энергии был четко выявлен в вышесказанном, то ее определение пока остается неясным: движение – понятие довольно расплывчатое. Определяется ли кинетическая энергия только при наличии скорости? Ответ – нет, и в двух последующих параграфах мы рассмотрим это подробнее.

Определение температуры

В предыдущем параграфе мы дали понять, что повышенная микроскопическая кинетическая энергия соответствовала повышенной температуре. Прежде чем идти дальше, очень важно уточнить, что же такое температура тела.

Исторически температура была связана с понятием тепла и холода (это также ее интуитивный смысл). Но поскольку ощущения тепла и холода весьма субъективны, пришлось найти средство для точного измерения этой самой температуры. Между тем люди заметили, что газы и металлы увеличиваются в объеме при нагревании – например, так ведет себя ртуть. Это изменение в объеме стали использовать для измерения температуры: в ртутном термометре чем выше столбик ртути, тем выше температура.

Также было замечено, что при определенном уровне давления лед превращался в жидкую воду при том же уровне ртути, то есть при той же температуре. То же самое при переходе воды в пар. Первыми двумя переменами состояния воспользовались, чтобы определить температурную шкалу: такой шкалой стала шкала Цельсия.

Было условлено, что при атмосферном давлении в 1 бар превращение воды в лед совершается при температуре 0 °C. Превращение воды в пар при 100 °C. Для любой другой температуры между 0 °C и 100 °C измеряют объем газа при давлении в 1 бар.

Возьмем реалистический пример: предположим, что при 0 °C объем газа составляет 73 л, а при 100 °C – 100 л: среднее значение между 100 л и 73 л – 86,5 л. Это значит, что если однажды объем газа составит 86,5 л, это будет соответствовать температуре в 50 °C (среднему значению между 0 °C и 100 °C). Мы видим, что определенный объем соответствует определенной температуре: значение температуры соответствует определенному значению объема.