Номер 1, страница 291 - гдз по физике 10 класс учебник Касьянов

Творческие задания. Параграф 60. Второй закон термодинамики. 10. Термодинамика. Молекулярная физика - номер 1, страница 291.

Условие.

1. Как можно оценить внутреннюю энергию человека?

Решение.

1. Оценить абсолютное значение внутренней энергии человека напрямую невозможно из-за огромной сложности системы. Однако можно дать приблизительную оценку, рассмотрев её основные составляющие: тепловую энергию (кинетическую энергию хаотического движения частиц) и химическую энергию (потенциальную энергию, запасённую в химических связях органических молекул).

Тепловую компоненту можно оценить как количество энергии, необходимое для нагрева тела от абсолютного нуля ($0$ К) до нормальной температуры тела ($t = 37^\circ \text{C}$ или $T \approx 310$ К). Для человека массой $m = 70$ кг со средней удельной теплоёмкостью $c \approx 3500 \frac{\text{Дж}}{\text{кг} \cdot \text{К}}$, эта энергия составляет примерно:

$U_{тепловая} \approx m \cdot c \cdot T = 70 \text{ кг} \cdot 3500 \frac{\text{Дж}}{\text{кг} \cdot \text{К}} \cdot 310 \text{ К} \approx 7.6 \cdot 10^7 \text{ Дж} = 76 \text{ МДж}$

Химическая энергия является основной частью внутренней энергии. Её можно оценить, зная состав тела и удельную теплоту сгорания питательных веществ. Например, для человека массой 70 кг, содержащего около 11 кг жира (удельная теплота сгорания $q_{жир} \approx 3.9 \cdot 10^7$ Дж/кг) и 14 кг белка (удельная теплота сгорания $q_{белок} \approx 1.7 \cdot 10^7$ Дж/кг), суммарная химическая энергия составляет:

$U_{химическая} = m_{жир} \cdot q_{жир} + m_{белок} \cdot q_{белок} \approx 11 \cdot 3.9 \cdot 10^7 + 14 \cdot 1.7 \cdot 10^7 \approx 6.7 \cdot 10^8 \text{ Дж} = 670 \text{ МДж}$

Таким образом, сравнение показывает, что химическая энергия, запасённая в теле, почти на порядок превышает его тепловую энергию. На практике чаще оценивают не абсолютную величину, а изменение внутренней энергии ($ΔU$), которое связано с балансом потребляемой с пищей энергии и расходами на совершение работы и теплообмен с окружающей средой.

Ответ: Внутреннюю энергию человека можно оценить, просуммировав её главные компоненты: тепловую энергию, зависящую от массы и температуры тела, и химическую энергию, определяемую массой и удельной теплотой сгорания органических веществ (в основном жиров и белков) в организме. Основной вклад вносит химическая энергия.