Номер 1, страница 7 - гдз по физике 8 класс учебник Исаченкова, Громыко

1. Может ли тело обладать внутренней энергией и не иметь при этом механической? А наоборот? Приведите примеры.

Может ли тело обладать внутренней энергией и не иметь при этом механической?

Да, тело может обладать внутренней энергией, не имея при этом механической энергии. Для этого необходимо разобраться в определениях этих двух видов энергии.

Внутренняя энергия ($U$) тела — это сумма кинетической энергии хаотического (теплового) движения всех его микрочастиц (молекул, атомов) и потенциальной энергии их взаимодействия друг с другом. Любое тело, температура которого выше абсолютного нуля ($T > 0 \text{ K}$), обладает внутренней энергией, так как его частицы находятся в непрерывном движении.

Механическая энергия ($E_м$) — это энергия, связанная с движением тела как целого и его взаимодействием с другими телами. Она является суммой кинетической энергии ($E_к$) и потенциальной энергии ($E_п$) тела. Кинетическая энергия $E_к = \frac{mv^2}{2}$ зависит от скорости движения тела, а потенциальная энергия (например, в поле тяготения Земли $E_п = mgh$) — от его положения относительно другого тела или выбранного нулевого уровня.

Механическая энергия тела может быть равна нулю. Это произойдет, если тело покоится ($v=0$) относительно выбранной системы отсчета и находится на нулевом уровне потенциальной энергии ($h=0$). В то же время, если его температура выше абсолютного нуля, оно все равно будет обладать внутренней энергией.

Пример: Камень, лежащий на поверхности земли. Если мы рассматриваем его в системе отсчета, связанной с Землей, его скорость равна нулю ($v=0$), и его кинетическая энергия $E_к=0$. Если мы выберем поверхность земли за нулевой уровень потенциальной энергии, то $h=0$ и $E_п=0$. Таким образом, полная механическая энергия камня равна нулю: $E_м = E_к + E_п = 0$. Однако камень имеет температуру окружающей среды, которая выше абсолютного нуля, поэтому его молекулы совершают колебания, и он обладает внутренней энергией ($U > 0$).

Ответ: Да, может. Любое неподвижное тело, находящееся на условном нулевом уровне высоты (например, книга на столе), обладает внутренней энергией, но его механическая энергия равна нулю.

А наоборот?

Этот вопрос означает: может ли тело обладать механической энергией, не имея при этом внутренней? Теоретически — да, но на практике — нет.

Чтобы тело не обладало внутренней энергией (или, точнее, имело минимально возможную нулевую энергию), его необходимо охладить до температуры абсолютного нуля ($T = 0 \text{ K}$ или $-273.15^{\circ}\text{C}$). По определению, при этой температуре прекращается всякое тепловое движение частиц.

Теоретически, такое тело, охлажденное до абсолютного нуля, может обладать механической энергией. Например, если оно будет двигаться с некоторой скоростью $v > 0$, оно будет иметь кинетическую энергию $E_к > 0$. Или если оно будет поднято на некоторую высоту $h > 0$ над нулевым уровнем, оно будет обладать потенциальной энергией $E_п > 0$. В обоих случаях его полная механическая энергия $E_м$ будет больше нуля.

Пример: Гипотетический астероид, охлажденный до температуры $0 \text{ K}$ и летящий в космосе. Его внутренняя энергия, связанная с тепловым движением, равна нулю ($U=0$), но его кинетическая энергия (а следовательно, и механическая) больше нуля ($E_м > 0$).

Однако, согласно третьему началу термодинамики, достижение температуры абсолютного нуля на практике невозможно. Любое реальное макроскопическое тело всегда имеет температуру выше $0 \text{ K}$ и, следовательно, всегда обладает некоторой внутренней энергией. Поэтому случай, когда тело имеет механическую энергию, но не имеет внутренней, является чисто теоретической идеализацией.

Ответ: Теоретически да, но практически нет. Тело, охлажденное до абсолютного нуля ($U=0$), могло бы двигаться или находиться на высоте ($E_м>0$). Но поскольку достичь температуры абсолютного нуля невозможно, любое реальное тело всегда обладает внутренней энергией.