Номер 4, страница 267 - гдз по физике 10 класс учебник Мякишев, Буховцев

Обсудить в классе. Параграф 80. Работа в термодинамике. Глава 13. Основы термодинамики - номер 4, страница 267.

Условие.

Решение 3.

Согласно основным положениям молекулярно-кинетической теории (МКТ), температура тела является мерой средней кинетической энергии хаотического движения его частиц (молекул или атомов), а давление газа на стенки сосуда создается ударами этих частиц. Рассмотрим, как связаны изменение объема и температуры газа с точки зрения МКТ при условии, что давление остается постоянным (изобарный процесс).

Нагревание газа

При нагревании газу сообщается определенное количество теплоты, что приводит к увеличению его внутренней энергии. С точки зрения МКТ, это означает, что средняя кинетическая энергия молекул газа растет, и, следовательно, они начинают двигаться с большими скоростями. Так как температура является мерой средней кинетической энергии, она увеличивается ($T \uparrow$).

Давление газа, согласно основному уравнению МКТ, можно выразить как $p = nkT$, где $n$ – концентрация молекул (число молекул в единице объема, $n=N/V$), $k$ – постоянная Больцмана, а $T$ – абсолютная температура. Если бы при увеличении температуры (и, соответственно, скорости молекул) объем газа оставался неизменным, то молекулы стали бы чаще и с большей силой ударяться о стенки сосуда. Это привело бы к неизбежному росту давления.

Для того чтобы давление $p$ оставалось постоянным при росте температуры $T$, необходимо, чтобы другой сомножитель в формуле, концентрация $n$, уменьшался. Так как число молекул $N$ в сосуде постоянно, уменьшение их концентрации $n$ возможно только за счет увеличения объема $V$, который они занимают. Таким образом, чтобы скомпенсировать возросшую скорость молекул и сохранить давление неизменным, газ должен расшириться.

Ответ: При нагревании газа его молекулы начинают двигаться быстрее. Чтобы при этом давление не увеличивалось, газ должен расшириться. Увеличение объема приводит к уменьшению концентрации молекул, что компенсирует увеличение силы и частоты их ударов о стенки сосуда, и в результате давление остается постоянным.

Охлаждение газа

При охлаждении от газа отводится теплота, что приводит к уменьшению его внутренней энергии. С точки зрения МКТ, это означает, что средняя кинетическая энергия и скорость движения молекул уменьшаются. Следовательно, температура газа падает ($T \downarrow$).

Если бы при уменьшении температуры объем газа оставался постоянным, то молекулы стали бы реже и с меньшей силой ударяться о стенки сосуда, что привело бы к падению давления.

Чтобы давление $p$ оставалось постоянным при понижении температуры $T$, необходимо, согласно уравнению $p = nkT$, чтобы концентрация молекул $n$ увеличивалась. Поскольку число молекул $N$ постоянно, увеличение их концентрации $n$ достигается за счет уменьшения объема $V$. Таким образом, чтобы скомпенсировать замедление движения молекул и сохранить давление неизменным, газ должен сжаться.

Ответ: При охлаждении газа его молекулы замедляют свое движение. Чтобы давление не падало, необходимо увеличить частоту столкновений молекул со стенками. Это достигается путем уменьшения объема газа (сжатия), что приводит к увеличению концентрации молекул и позволяет сохранить давление на постоянном уровне.