Номер 640, страница 83 - гдз по физике 10-11 класс задачник Рымкевич

29. Внутренняя энергия одноатомного газа. Работа и количество теплоты. Первый закон термодинамики. Адиабатный процесс. Глава VI. Основы термодинамики. Молекулярная физика и термодинамика - номер 640, страница 83.

Условие.

640. Для получения газированной воды через воду пропускают сжатый углекислый газ. Почему температура воды при этом понижается?

Решение 1.

Решение 2.

Решение 3.

Решение 4.

Понижение температуры воды при пропускании через нее сжатого углекислого газа объясняется явлением, известным в термодинамике как адиабатическое расширение.

Процесс можно описать следующим образом:

1. Углекислый газ находится в баллоне под высоким давлением. Когда его выпускают, он резко расширяется, так как давление снаружи (в воде) значительно ниже, чем в баллоне.

2. При расширении газ совершает работу против сил внешнего давления (расталкивая воду). Согласно первому закону термодинамики, изменение внутренней энергии газа ($\Delta U$) равно разности между полученным количеством теплоты ($Q$) и совершенной газом работой ($A$):

$ \Delta U = Q - A $

3. Процесс расширения происходит очень быстро, поэтому можно считать, что газ не успевает обменяться теплом с окружающей средой (с водой и стенками трубки). Такой процесс называется адиабатическим, и для него количество теплоты $Q$ можно принять равным нулю ($Q \approx 0$).

4. В этом случае первый закон термодинамики принимает вид $ \Delta U = -A $. Поскольку газ расширяется, он совершает положительную работу ($A > 0$), а значит, его внутренняя энергия уменьшается ($\Delta U < 0$).

5. Внутренняя энергия идеального газа напрямую зависит от его температуры. Уменьшение внутренней энергии приводит к резкому понижению температуры углекислого газа.

6. Холодный углекислый газ, проходя через воду в виде пузырьков, вступает с ней в теплообмен. Вода отдает свое тепло более холодному газу, в результате чего температура самой воды понижается.

Ответ: Сжатый углекислый газ при выходе из баллона и прохождении через воду резко расширяется. При расширении газ совершает работу, затрачивая на это свою внутреннюю энергию. Это приводит к сильному охлаждению самого газа. Затем холодный газ, контактируя с водой, отбирает у нее тепло, из-за чего температура воды понижается.