Номер 9, страница 258 - гдз по физике 10 класс учебник часть 1 Генденштейн, Дик

Молекулярная физика и термодинамика. Глава 6. Термодинамика. Параграф 31. Внутренняя энергия. Первый закон термодинамики - номер 9, страница 258.

Условие.

9. Приведите примеры процессов, в которых внутренняя энергия уменьшается.

Решение.

Внутренняя энергия тела или системы тел — это сумма кинетической энергии хаотического движения всех его частиц (молекул, атомов) и потенциальной энергии их взаимодействия. Уменьшение внутренней энергии, как правило, сопровождается понижением температуры тела. Согласно первому закону термодинамики, изменение внутренней энергии $\Delta U$ системы равно разности между количеством теплоты $\text{Q}$, переданным системе, и работой $\text{A}$, совершённой системой над внешними телами:

$\Delta U = Q - A$

Следовательно, внутренняя энергия уменьшается ($\Delta U < 0$), когда система отдает энергию в окружающую среду либо путем теплопередачи, либо совершая механическую работу, либо и то, и другое одновременно. Вот несколько примеров таких процессов:

1. Охлаждение тела путем теплообмена

Это наиболее распространенный в быту процесс, в котором тело не совершает механической работы ($A=0$), а его внутренняя энергия уменьшается исключительно за счет отдачи тепла в окружающую среду ($Q < 0$). В этом случае $\Delta U = Q$. Поскольку теплота уходит из системы, внутренняя энергия уменьшается.
Пример: Остывание чашки горячего чая. Чай передает тепло окружающему воздуху и стенкам чашки, его температура падает, а значит, уменьшается и внутренняя энергия. То же самое происходит при остывании любого нагретого предмета, например, выключенного утюга.

2. Адиабатное расширение газа

Адиабатным называется процесс, который происходит без теплообмена с окружающей средой ($Q=0$). Если газ в таких условиях расширяется, он совершает работу против внешних сил ($A > 0$). Энергию для совершения этой работы газ берет из своих внутренних запасов. Согласно первому закону термодинамики, $\Delta U = -A$. Так как работа положительна, изменение внутренней энергии отрицательно. Газ при этом охлаждается.
Пример: Когда вы нажимаете на клапан аэрозольного баллончика (дезодоранта, освежителя воздуха), сжатый газ резко расширяется, совершая работу по выталкиванию самого себя и окружающего воздуха. Баллончик и струя газа ощутимо охлаждаются.

3. Фазовые переходы: кристаллизация и конденсация

При переходе вещества из газообразного состояния в жидкое (конденсация) или из жидкого в твердое (кристаллизация) внутренняя энергия системы уменьшается. Это происходит потому, что при образовании связей между молекулами выделяется энергия в виде теплоты. Хотя температура во время фазового перехода остается постоянной, уменьшается потенциальная энергия взаимодействия молекул, что ведет к уменьшению общей внутренней энергии.
Пример (кристаллизация): Замерзание воды. Когда вода превращается в лед при температуре 0°С, она отдает в окружающую среду значительное количество теплоты (скрытую теплоту кристаллизации). Внутренняя энергия льда при 0°С меньше, чем у воды при той же температуре.
Пример (конденсация): Образование росы. Водяной пар из воздуха, соприкасаясь с холодной поверхностью ночью, конденсируется, превращаясь в капельки воды. При этом выделяется теплота, а внутренняя энергия системы «пар» уменьшается.

Ответ: Примерами процессов, в которых внутренняя энергия уменьшается, являются: остывание нагретых тел (например, горячего чая); расширение газа при отсутствии притока тепла (например, при распылении содержимого аэрозольного баллончика); кристаллизация жидкости (замерзание воды в лед); конденсация пара (образование росы).