Номер 2, страница 156 - гдз по физике 10 класс учебник Мякишев, Синяков

Глава 5. Законы термодинамики. Параграф 5.4. Закон сохранения энергии. Внутренняя энергия - номер 2, страница 156.

Условие.

2. Какова роль внутренней энергии в открытии закона сохранения энергии?

Решение.

2. Какова роль внутренней энергии в открытии закона сохранения энергии?

Решение

Введение понятия внутренней энергии сыграло ключевую, решающую роль в открытии и формулировке всеобщего закона сохранения энергии. До XIX века был известен только закон сохранения механической энергии, который гласил, что сумма кинетической ($E_k$) и потенциальной ($E_p$) энергий в замкнутой системе, где действуют только консервативные силы, остается постоянной.

Однако в реальных процессах, где действуют силы трения, сопротивления среды или происходят неупругие соударения, полная механическая энергия не сохраняется. Например, при торможении автомобиля его кинетическая энергия, казалось бы, бесследно исчезает, превращаясь в ничто. Это создавало видимое противоречие принципу сохранения и указывало на неполноту существовавшей теории.

Разрешить это противоречие удалось только после введения понятия внутренней энергии. Ученые (Р. Майер, Дж. Джоуль, Г. Гельмгольц) доказали, что "пропавшая" механическая энергия на самом деле не исчезает, а переходит в другую, невидимую на макроуровне форму — во внутреннюю энергию тел. Работа сил трения или деформация при неупругом ударе приводит к увеличению кинетической энергии хаотического теплового движения и потенциальной энергии взаимодействия молекул и атомов, из которых состоят тела. Макроскопическим проявлением этого увеличения является повышение температуры тел.

Эксперименты Джеймса Джоуля установили точное количественное соотношение (механический эквивалент теплоты) между совершенной механической работой и выделившимся количеством теплоты, доказав, что теплота является формой передачи энергии и мерой изменения внутренней энергии.

Это позволило обобщить закон сохранения энергии, включив в него тепловые явления. Новая, всеобщая формулировка, известная как первое начало термодинамики, гласит:

$ \Delta U = Q + A' $

где $ \Delta U $ — изменение внутренней энергии системы, $ Q $ — количество теплоты, переданное системе, а $ A' $ — работа, совершенная над системой внешними силами. Этот закон утверждает, что энергия не исчезает и не возникает из ничего, а лишь переходит из одной формы в другую (например, из механической во внутреннюю) и может перераспределяться между телами.

Таким образом, именно введение понятия внутренней энергии позволило "найти" недостающее звено в энергетическом балансе при процессах с диссипацией (рассеянием) энергии и сформулировать закон сохранения энергии как фундаментальный и всеобщий закон природы.

Ответ: Понятие внутренней энергии позволило объяснить "исчезновение" механической энергии в процессах с трением и неупругими взаимодействиями, показав, что она преобразуется во внутреннюю энергию тел (проявляющуюся, например, в их нагревании). Это дало возможность обобщить закон сохранения механической энергии до всеобщего закона сохранения и превращения энергии, который учитывает все формы энергии, включая тепловую, и является одним из фундаментальных законов природы.