Номер 21.1, страница 72 - гдз по физике 7-9 класс сборник задач Лукашик, Иванова

§ 21. Давление газов. Глава 3. Давление твёрдых тел, жидкостей и газов - номер 21.1, страница 72.

21.1 [461] На рисунке III-7 показано,

что сжатый газ поднимает поршень с грузом. Объясните это явление.

Рис. III-7

21.1 [461]

Решение

На рисунке изображена система, в которой сжатый газ из баллона высокого давления поступает в цилиндр с подвижным поршнем, на котором находится груз. Подъем поршня с грузом можно объяснить с помощью основных положений молекулярно-кинетической теории и термодинамики.

1. Давление газа. Газ состоит из огромного числа молекул, которые находятся в непрерывном и хаотическом движении. В процессе своего движения молекулы сталкиваются со стенками сосуда и с нижней поверхностью поршня. Каждое такое столкновение создает небольшую силу. Суммарное действие всех этих сил на единицу площади и есть давление газа. В баллоне газ сжат, что означает, что его давление значительно выше атмосферного.

2. Сила давления. Когда вентиль на баллоне открывается, газ устремляется в цилиндр под поршнем. Давление газа $p_{газ}$ равномерно распределяется по всей нижней поверхности поршня площадью $S$. В результате на поршень начинает действовать направленная вверх сила $F_{газ}$, которая равна произведению давления газа на площадь поршня: $F_{газ} = p_{газ} \cdot S$.

3. Условие подъема поршня. На поршень действуют также силы, направленные вниз. Это сила тяжести самого поршня и груза на нем ($F_{тяж}$) и сила, создаваемая давлением атмосферного воздуха на верхнюю поверхность поршня ($F_{атм}$). Поршень с грузом начнет подниматься в том случае, если выталкивающая сила со стороны газа снизу окажется больше суммы сил, действующих сверху: $F_{газ} > F_{тяж} + F_{атм}$ Поскольку сжатый газ в баллоне имеет достаточно высокое давление, создаваемая им сила $F_{газ}$ превышает суммарную силу тяжести и атмосферного давления, что и приводит поршень в движение.

4. Совершение работы газом. Перемещая поршень с грузом вверх, газ расширяется и совершает механическую работу. Эта работа идет на увеличение потенциальной энергии поршня и груза, а также на преодоление силы атмосферного давления. Работа, совершаемая газом, происходит за счет уменьшения его внутренней энергии (если процесс происходит без теплообмена с окружающей средой) или за счет тепла, подводимого извне (если процесс изотермический). Таким образом, энергия сжатого газа преобразуется в механическую работу.

Ответ: Явление объясняется тем, что давление сжатого газа, поступающего под поршень, создает силу, направленную вверх. Эта сила превышает сумму сил, действующих на поршень сверху (силу тяжести поршня с грузом и силу атмосферного давления), в результате чего поршень поднимается. При этом газ расширяется и совершает работу.