На самом деле даже в твердом теле атомы никогда не находятся в полном покое: несмотря на тесное соседство, они колеблются на определенном месте. То есть они обладают средней кинетической энергией, пропорциональной температуре твердого тела: чем теплее твердое тело, тем сильнее вибрируют составляющие его атомы.
Та же картина с жидкостью в состоянии покоя: молекулы могут перемещаться и, соответственно, обладают средней кинетической энергией, пропорциональной температуре жидкости.
Единица кинетической энергии – джоуль. Чтобы представить себе ее масштаб, заметим, что макроскопическая кинетическая энергия шагающего человека приблизительно равна 60 Дж. У машины, движущейся со скоростью 50 км/ч, около 100 000 Дж. Что же касается микроскопической кинетической энергии нашего тела, находящегося в покое (при температуре 37 °C), она составляет несколько десятков миллионов джоулей! То есть большая часть нашей энергии скрыта, поскольку представлена на микроскопическом уровне: движение молекулярного уровня гораздо более быстрое и повсеместное, чем в нашем масштабе.
ВРАЩЕНИЕ И КОЛЕБАНИЕ МОЛЕКУЛ
Выше мы говорили о том, что температура связана со средней кинетической энергией молекул. Мы говорили только о перемещении молекул, которое сообщает им кинетическую энергию. Но даже неподвижная молекула может обладать кинетической энергией.
Для примера возьмем двухатомную молекулу кислорода О>2 (см. схему выше). Она может вращаться вокруг своей оси, то есть атомы кислорода могут обладать скоростью, даже если в целом молекула не перемещается. Более того, атомы кислорода могут вибрировать, то приближаясь, то удаляясь друг от друга, как если бы они были соединены пружиной (в реальности такой пружиной служит электростатическая сила).
Таким образом, к кинетической энергии перемещения нужно добавить кинетическую энергию вращения и колебания молекулы. Однако температура характеризует только перемещение по оси (это подтверждают рассуждения, которые позволили нам провести связь между температурой и скоростью молекул): следует ли из этого, что выражение пропорциональности между температурой и средней кинетической энергией молекул ложно?
Нет, потому что при столкновениях кинетическая энергия молекул естественно распределяется между перемещением, вращением и колебанием. Иными словами, чем больше средняя скорость молекул, тем более быстрое вращение и более сильное колебание вызывают столкновения. То есть при обычных температурах кинетическая энергия вращения и колебания пропорциональна кинетической энергии перемещения, а температура остается пропорциональна всей средней кинетической энергии молекул.
3. Потенциальная энергия и закон сохранения энергии
До сих пор мы рассматривали энергию кинетическую в ее макро- и микроскопическом (температура) аспектах. Она одна воплощает в себе все формы энергии, какие мы только можем себе представить: например, электрическая энергия связана с движением электронов по проводам.
Что же касается барреля нефти, бифштекса или ядерного топлива, они обладают энергией только в том смысле, в котором они способны вырабатывать кинетическую энергию. То есть они обладают потенциалом раскрыть кинетическую энергию. Другими словами, они обладают потенциальной кинетической энергией (что мы сокращаем до потенциальной энергии).
Из этого мы могли бы заключить, что на самом деле они энергией не обладают, ибо она всего лишь потенциальна. Но на самом деле под энергией мы подразумеваем настоящую кинетическую энергию и скрытую, которой предстоит себя проявить. То есть понятие энергии объединяет «явную» кинетическую энергию и кинетическую энергию потенциальную.