ГДЗ по физике, 8 класс, Перышкин, номер 3.1: Смачивание и несмачивание. Капиллярные явления

План решения:

Для сравнения энергий необходимо вспомнить определения. Механическая энергия (E_мех) складывается из кинетической энергии движения тела и потенциальной энергии его положения относительно выбранного уровня (обычно поверхности Земли). Внутренняя энергия (U) — это суммарная энергия хаотического движения всех частиц тела и их взаимодействия; она зависит от температуры, агрегатного состояния и массы вещества.

Вычисление и анализ случаев:

Рассмотрим пункт а) : температура воздуха и земли одинаковая.
1. Во время полёта: Самолёт движется с большой скоростью v и находится на высоте h. Следовательно, у него есть значительная кинетическая энергия E_k=mv²/2 и потенциальная энергия E_p=mgh. Механическая энергия велика: E_мех >0. Внутренняя энергия определяется температурой корпуса самолёта. Так как термодинамическое равновесие с окружающей средой не обязательно мгновенно, но в задаче сказано, что температуры воздуха и земли равны, будем считать, что корпус самолёта имеет ту же температуру, что и земля/воздух в покое. Тогда внутренняя энергия U такая же, как если бы он стоял на земле при той же температуре.
2. Когда стоит на земле: Скорость v=0, высота h=0 (относительно поверхности). Значит, E_мех =0. Внутренняя энергия U та же самая, так как температура не изменилась.
Сравнение: Во время полёта механическая энергия больше нуля, а внутренняя энергия примерно равна внутренней энергии стоящего самолёта (при условии равенства температур). Таким образом, полная энергия системы выше в полёте за счёт механической составляющей, но само соотношение между U и E_мех меняется кардинально: в полёте E_мех ≫U? Нет, обычно для макроскопических тел внутренняя энергия огромна по сравнению с механической. Однако вопрос в том, чтобы сравнить эти виды энергии между собой в двух состояниях или сравнить одно состояние с другим? Формулировка «Сравнить внутреннюю и механическую энергию... во время полёта и когда стоит» подразумевает анализ изменения этих величин.
Более точный физический смысл: Внутренняя энергия зависит от температуры. Если температура корпуса самолёта в полёте равна температуре на земле (в пункте а), то U_полёт ≈U_земля. А вот механическая энергия: E_{мех, полёт} >E_{мех, земля} =0.

Рассмотрим пункт б) : температуры различаются.
Здесь нужно учесть, что при полёте происходит трение о воздух, нагревание обшивки, а также работа двигателей. Обычно корпус самолёта в полёте может иметь другую температуру, чем на земле (например, из-за солнечного нагрева или охлаждения на высоте, либо нагрева от трения).
Если температура самолёта в полёте отличается от температуры на земле, то изменится и его внутренняя энергия U. Например, если корпус нагрелся, то U_полёт >U_земля. Если остыл — наоборот.
Механическая энергия по-прежнему: в полёте E_мех >0, на земле E_мех =0.
Сравнение: Различие температур приводит к тому, что внутренняя энергия в двух случаях будет разной. В пункте а) мы могли считать её постоянной (если пренебречь малыми изменениями), а в пункте б) она явно меняется вместе с механической энергией.

Проверка и вывод:

Главное отличие механической энергии от внутренней в том, что первая зависит от скорости и положения центра масс, а вторая — от микроскопического состояния (температуры).
В случае а): E_мех меняется (от 0 до большого значения), U остаётся практически неизменной (так как T одинакова).
В случае б): E_мех меняется, и U тоже меняется, так как T различается.