Имеют ли ньютоновская механика и термодинамика разные определения внутренней энергии?

Возможно, суть вопроса в том, что должно включать в себя слово «внутренний», а не в противопоставлении «термодинамический» и «ньютоновский».

Если мы рассматриваем газ в контейнере, находящемся в лаборатории на поверхности земли, мы могли бы рассмотреть земную гравитацию как «внешнее» влияние (поскольку сама земля является «внешней» по отношению к интересующей нас системе). , и тогда мы бы не включали гравитационную потенциальную энергию во «внутреннюю» энергию газа.

С другой стороны, если мы рассматриваем газ, чьи «атомы» являются звездами в скоплении астрономических размеров, то мы будем рассматривать их взаимные гравитационные взаимодействия как «внутренние» по отношению к системе, и поэтому мы должны включить гравитационную потенциальную энергию . Кстати, это интересный пример из термодинамики, потому что эта система имеет отрицательную теплоемкость: добавление энергии делает ее холоднее . (Это связано с предсказанием, что испаряющаяся черная дыра становится горячее по мере того, как становится меньше.)

Какой бы язык мы ни использовали, ключевым моментом является то, что мы разделяем все вещи в сценарии на две категории: одна категория — это вещи, поведение которых нас интересует, а другая категория — все остальные вещи, которые могут влиять на поведение. вещи, которые нас интересуют. Слова «внутренний» и «внешний» иногда (но не всегда) используются для различения этих двух категорий. Иногда слово «система» включает в себя обе категории, а иногда только первую.

Я не думаю, что термодинамика рассматривает только микроскопические взаимодействия.

Когда мы говорим, что$U=K_{gas}$это означает, что наша система состоит только из газа, но, как вы говорите,$U=\text{KE}_\text{gas}+\text{KE}_\text{Earth}+\text{PE}_\text{gas-Earth}$.

Приведенное выше уравнение справедливо только для системы земля-газ.

Вывод : определение внутренней энергии в ньютоновской механике применимо и к термодинамике, а внутренняя энергия полностью зависит от выбранной нами системы.

В ньютоновской механике вы, конечно, можете называть полную энергию системы земля-объект «внутренней энергией» системы, если хотите. Меня беспокоит использование$U$представление внутренней механической энергии системы в целом может ввести в заблуждение термодинамиков, где$U$обычно резервируется только для энергии, содержащейся в объекте, как обсуждается ниже.

Насколько я понимаю, в механике полная механическая энергия системы земля-объект в общем случае записывается

$E_{tot}=KE_{object}+PE_{object-Earth}$

или, для неизолированной системы земля-объект

$\Delta E_{tot}=\Delta KE_{object}+\Delta PE_{object-Earth}=W_{ext}$

Это показано на фиг. 1 ниже.

The $W_{ext}$в уравнении Ньютона не учитывается внешняя работа, расширяющая или сжимающая границу объекта, называемая$pdV$работа и другие виды работы, которые пересекают границу самого объекта, поскольку объект обычно описывается как «твердое тело» в ньютоновской механике.$W_{ext}$обычно учитывает только влияние внешней работы на кинетическую и потенциальную энергии твердого тела в целом.

Правая часть уравнения также не учитывает возможные эффекты переноса энергии с помощью тепла.$Q$в или из системы объект-земля, что потенциально может изменить внутреннюю энергию объекта.

Те аспекты, которые отсутствуют в уравнении Ньютона, включены в общее выражение для первого закона термодинамики для замкнутой системы (отсутствие переноса массы между системой и окружающей средой), которое выглядит следующим образом:

$\Delta E_{tot}=\Delta U_{object}+\Delta KE_{object}+\Delta PE_{object-Earth}=Q-W$

Это показано на фиг. 2 ниже. Обратите внимание, что фиг. 2 охватывает все, что изображено на фиг. 1, но также включает аспекты сохранения энергии, отсутствующие на фиг. 1, связанные с внутренней энергией объекта. Более того,$W$в это уравнение входит не только работа, производящая механическую энергию системы ($W_{ext}$) на фиг.1, но другие виды передачи работы, выходящие за внешние границы объекта.

Надеюсь это поможет.

Я думаю, что это можно рассматривать в обоих направлениях, в зависимости от направленности обсуждения.

Та же
внутренняя энергия — это энергия, не учитываемая уравнениями движения Ньютона. Таким образом, если речь идет о резервуаре с газом, то его движение в целом будет описываться законами Ньютона, а энергия молекул (кинетическая и энергия их взаимодействия друг с другом) будет составлять внутреннюю энергию газ. С этой точки зрения ньютоновская механика и статистическая физика согласны.

Не то же самое
Однако, если мы говорим о движении отдельной молекулы, ньютоновская механика сосредоточится на описании ее траектории, тогда как статистическая механика будет характеризовать молекулу некоторыми средними параметрами. Это важное различие составляет основу (и даже причину существования ) статистического механического мировоззрения.

Заключение
Как это часто бывает в физике, на самом деле нет разногласий в определениях, но нужно быть осторожным с тем, где и как они применяются.