Номер 4, страница 330 - гдз по физике 10 класс учебник Грачев, Погожев

Молекулярная физика и термодинамика. Глава 9. Агрегатные состояния вещества. Фазовые переходы. Параграф 59. Испарение и конденсация - номер 4, страница 330.

Условие.

4. Как изменяются составляющие части внутренней энергии системы «жидкость — пар» при испарении?

Решение.

4. Внутренняя энергия ($U$) термодинамической системы складывается из кинетической энергии хаотического теплового движения её частиц ($E_{кин}$) и потенциальной энергии их взаимодействия ($E_{пот}$).

$U = E_{кин} + E_{пот}$

Процесс испарения представляет собой фазовый переход вещества из жидкого состояния в газообразное. Этот переход происходит на поверхности жидкости. В ходе испарения жидкость покидают наиболее быстрые молекулы, кинетическая энергия которых достаточна для преодоления сил межмолекулярного притяжения.

Изменение составляющих внутренней энергии системы «жидкость — пар» происходит следующим образом:

1. Потенциальная энергия ($E_{пот}$). Чтобы молекула покинула жидкость, должна быть совершена работа против сил межмолекулярного притяжения. Эта работа приводит к увеличению потенциальной энергии молекулы. В паре среднее расстояние между молекулами значительно больше, чем в жидкости, поэтому потенциальная энергия взаимодействия молекул в паре выше. Таким образом, по мере испарения общая потенциальная энергия системы «жидкость — пар» возрастает.

2. Кинетическая энергия ($E_{кин}$). Поскольку жидкость покидают молекулы с наибольшей кинетической энергией, средняя кинетическая энергия оставшихся в жидкости молекул уменьшается. Это проявляется в понижении температуры жидкости. Следовательно, кинетическая составляющая внутренней энергии оставшейся жидкости уменьшается. Часть кинетической энергии системы превращается в потенциальную.

Ответ: При испарении потенциальная энергия системы «жидкость — пар» увеличивается, так как совершается работа по преодолению межмолекулярных сил притяжения. Кинетическая энергия оставшейся жидкости уменьшается, так как ее покидают самые быстрые молекулы.

5. Охлаждение жидкости при испарении объясняется на молекулярном уровне. Молекулы в жидкости находятся в непрерывном хаотическом движении и обладают разными скоростями, а следовательно, и разной кинетической энергией.

Процесс испарения заключается в том, что с поверхности жидкости улетают те молекулы, чья кинетическая энергия оказывается достаточной для преодоления сил притяжения со стороны других молекул. Это самые «быстрые» и «горячие» молекулы.

Когда наиболее энергичные молекулы покидают жидкость, средняя кинетическая энергия оставшихся молекул уменьшается. Так как температура вещества является мерой средней кинетической энергии его частиц, уменьшение этой средней энергии означает понижение температуры жидкости. Этот эффект называется испарительным охлаждением.

Ответ: При испарении жидкость покидают молекулы с наибольшей кинетической энергией. Вследствие этого средняя кинетическая энергия оставшихся в жидкости молекул уменьшается, что и воспринимается как охлаждение.