Номер 15, страница 58, часть 2 - гдз по физике 10 класс учебник Генденштейн, Булатова

Часть 2. Молекулярная физика и термодинамика. Глава VI. Термодинамика. Параграф 31. Первый закон термодинамики - номер 15, страница 58.

Условие.

°15. В закрытый пробкой толстостенный стеклянный сосуд накачивают воздух. Когда давление в сосуде становится достаточно большим, пробка вылетает и при этом в сосуде появляется туман. Объясните это явление.

Решение 2.

Решение

15. Это явление объясняется на основе первого закона термодинамики.
Когда в закрытый сосуд накачивают воздух, совершается работа над газом, и его давление, а также внутренняя энергия, возрастают. Воздух в сосуде, как и любой атмосферный воздух, содержит водяные пары.
Когда пробка вылетает, сжатый воздух внутри сосуда начинает очень быстро расширяться. Этот процесс происходит за такое короткое время, что газ не успевает обменяться теплом с окружающей средой (со стенками сосуда и внешним воздухом). Такой процесс, протекающий без теплообмена с окружающей средой, называется адиабатным.
При расширении газ совершает работу против сил внешнего атмосферного давления, выталкивая пробку и окружающий воздух. Согласно первому закону термодинамики, изменение внутренней энергии системы $ΔU$ равно разности между количеством теплоты $\text{Q}$, полученным системой, и работой $\text{A}$, совершённой системой над внешними телами: $ΔU = Q - A$.
Поскольку процесс адиабатный, количество теплоты $Q=0$. Работа $\text{A}$, совершаемая газом, положительна ($A>0$). Следовательно, изменение внутренней энергии газа $ΔU = -A$ отрицательно.
Внутренняя энергия газа напрямую связана с его температурой. Уменьшение внутренней энергии означает резкое понижение температуры воздуха в сосуде.
В результате этого охлаждения температура воздуха опускается ниже точки росы — температуры, при которой содержащийся в нём водяной пар становится насыщенным. Избыточный водяной пар конденсируется, образуя мельчайшие капельки воды, взвешенные в воздухе. Совокупность этих капелек мы и наблюдаем как туман.

Ответ: Когда пробка вылетает, сжатый воздух в сосуде адиабатно расширяется. При этом он совершает работу за счёт своей внутренней энергии. Внутренняя энергия и, следовательно, температура воздуха резко падают. Из-за сильного охлаждения водяной пар, находящийся в воздухе, конденсируется и образует туман.