Номер 1, страница 134 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

1. Проведите опыт. Надуйте воздушный шарик. Измерьте примерно его объём. Положите шарик в холодильник. Через некоторое время определите его объём. Произошли ли какие-либо изменения?

1. При выполнении этого опыта будет наблюдаться уменьшение объёма воздушного шарика после его охлаждения в холодильнике.

Это явление объясняется с точки зрения молекулярно-кинетической теории и газовых законов. Воздух внутри шарика представляет собой газ, состоящий из большого числа молекул, находящихся в непрерывном хаотическом движении. Температура газа является мерой средней кинетической энергии этих молекул.

Когда надутый при комнатной температуре шарик помещают в холодильник, температура воздуха внутри него начинает понижаться, так как он отдает теплоту более холодной окружающей среде. С понижением температуры средняя скорость движения молекул воздуха уменьшается. Из-за этого молекулы начинают реже и с меньшей силой ударяться о внутренние стенки шарика, что приводит к падению давления газа внутри. Внешнее атмосферное давление, которое практически не изменилось, становится больше внутреннего и сжимает шарик. Объём шарика будет уменьшаться до тех пор, пока внутреннее давление (вместе с силой упругости материала шарика) снова не уравновесит внешнее атмосферное давление.

Этот процесс можно описать с помощью объединенного газового закона, который для постоянного количества газа ($n = \text{const}$) имеет вид:

$ \frac{P \cdot V}{T} = \text{const} $

где $\text{P}$ — давление, $\text{V}$ — объём, а $\text{T}$ — абсолютная температура газа (в кельвинах).

Поскольку давление внутри эластичного шарика не является строго постоянным (оно немного уменьшается при сжатии), более точным будет использование этого закона. Однако для качественного объяснения можно воспользоваться законом Гей-Люссака, который справедлив для изобарного процесса (при $P = \text{const}$). Он гласит, что объём газа прямо пропорционален его абсолютной температуре:

$ \frac{V_1}{T_1} = \frac{V_2}{T_2} $

Здесь $V_1$ и $T_1$ — начальные объём и температура, а $V_2$ и $T_2$ — конечные. Так как температура в холодильнике ($T_2$) ниже комнатной ($T_1$), из пропорции следует, что и конечный объём $V_2$ будет меньше начального $V_1$.

Например, если комнатная температура $T_1 = 20^\circ\text{C}$ (что составляет $293 \text{ К}$), а температура в холодильнике $T_2 = 5^\circ\text{C}$ (что составляет $278 \text{ К}$), то объём шарика уменьшится:

$ V_2 = V_1 \cdot \frac{T_2}{T_1} = V_1 \cdot \frac{278 \text{ К}}{293 \text{ К}} \approx 0.95 \cdot V_1 $

То есть объём шарика уменьшится примерно на 5%.

Если после этого достать шарик из холодильника, он начнет нагреваться до комнатной температуры, и его объём вернётся к первоначальному значению.

Ответ: Да, произошли изменения: объём воздушного шарика уменьшился.