Номер 3, страница 258 - гдз по физике 10 класс учебник Грачев, Погожев

Вопросы. Параграф 45. Термодинамическая система. Внутренняя энергия и способы её изменения. Глава 7. Основы молекулярно-кинетической теории и термодинамики. Молекулярная физика и термодинамика - номер 3, страница 258.

Условие.

3. В какой системе отсчёта определяют внутреннюю энергию термодинамической системы? Почему?

Решение.

Решение

Внутреннюю энергию термодинамической системы определяют в системе отсчёта, связанной с центром масс этой системы. В такой системе отсчёта термодинамическая система как единое целое находится в состоянии покоя.

Причина такого выбора заключается в самом определении внутренней энергии. Внутренняя энергия ($U$) — это сумма кинетических энергий хаотического (теплового) движения всех частиц (молекул, атомов), из которых состоит тело, и потенциальных энергий их взаимодействия друг с другом. Важно, что внутренняя энергия не включает в себя механическую энергию системы как целого, то есть её кинетическую энергию макроскопического движения и её потенциальную энергию во внешних полях.

Полная энергия тела ($E$) может быть представлена как сумма его внутренней энергии ($U$) и его механической энергии ($E_{мех}$), которая, в свою очередь, состоит из кинетической ($E_k$) и потенциальной ($E_p$) энергий: $E = U + E_{мех} = U + E_k + E_p$.

Кинетическая энергия системы как целого ($E_k$) зависит от выбора системы отсчёта. Например, стакан с водой, стоящий на столе в поезде, имеет нулевую кинетическую энергию относительно поезда, но обладает значительной кинетической энергией относительно Земли. Чтобы внутренняя энергия была однозначной характеристикой состояния самого вещества (то есть зависела только от его температуры, давления, агрегатного состояния и т.д.), а не от скорости наблюдателя, необходимо исключить из рассмотрения макроскопическую кинетическую энергию. Это достигается путём рассмотрения системы в той системе отсчёта, где её центр масс покоится. В этом случае $E_k = 0$, и изменение полной энергии (при отсутствии внешних полей) будет равно изменению внутренней.

Таким образом, выбор системы отсчёта, в которой тело покоится, является принципиальным, чтобы отделить внутреннюю энергию, характеризующую микроскопическое состояние системы, от её внешней, механической энергии.

Ответ: Внутреннюю энергию определяют в системе отсчёта, в которой центр масс термодинамической системы покоится. Это необходимо для того, чтобы отделить энергию теплового движения и взаимодействия частиц (собственно внутреннюю энергию) от кинетической энергии движения системы как единого целого, которая зависит от выбора системы отсчёта.