Номер 38.21, страница 143 - гдз по физике 7-9 класс сборник задач Лукашик, Иванова

§ 38. Внутренняя энергия. Глава 6. Тепловые явления - номер 38.21, страница 143.

38.21 [929] Объясните, почему происходит изменение внутренней энергии:

а) при сжатии и расширении воздуха;

б) при нагревании воды в кастрюле;

в) при сжатии и растяжении резины;

г) при таянии льда.

Внутренняя энергия тела или системы тел — это сумма кинетической энергии хаотического движения всех его частиц (атомов, молекул) и потенциальной энергии их взаимодействия друг с другом. Изменить внутреннюю энергию можно двумя способами: совершением работы или теплопередачей.

а) при сжатии и расширении воздуха;

Изменение внутренней энергии воздуха при сжатии и расширении происходит за счет совершения механической работы.
При сжатии воздуха внешние силы совершают над ним положительную работу. Эта работа переходит во внутреннюю энергию газа, увеличивая кинетическую энергию его молекул. В результате средняя скорость движения молекул возрастает, и воздух нагревается. Таким образом, внутренняя энергия увеличивается.
При расширении воздух сам совершает работу против внешних сил (например, толкая поршень), а работа внешних сил отрицательна. Эта работа совершается за счет собственной внутренней энергии. В результате кинетическая энергия молекул уменьшается, их средняя скорость падает, и воздух охлаждается. Таким образом, внутренняя энергия уменьшается.
Согласно первому закону термодинамики, изменение внутренней энергии $ \Delta U $ равно сумме количества теплоты $ Q $, переданного системе, и работы $ A $, совершенной внешними силами над системой: $ \Delta U = Q + A $. При быстром сжатии или расширении (адиабатическом процессе) теплообмен с окружающей средой незначителен ($ Q \approx 0 $), поэтому $ \Delta U \approx A $.

Ответ: Изменение внутренней энергии происходит за счёт совершения работы: при сжатии работа совершается над воздухом, и его внутренняя энергия увеличивается, а при расширении воздух сам совершает работу (работа внешних сил отрицательна), и его внутренняя энергия уменьшается.

б) при нагревании воды в кастрюле;

При нагревании воды в кастрюле ее внутренняя энергия изменяется за счет теплопередачи. Плита передает тепловую энергию дну кастрюли, а затем и воде. Этот процесс называется теплообменом. Полученная водой энергия (количество теплоты $ Q $) идет на увеличение кинетической энергии ее молекул. Молекулы начинают двигаться быстрее, что макроскопически проявляется в повышении температуры воды. Изменение объема воды при нагревании незначительно, поэтому работой, совершаемой водой, можно пренебречь. Следовательно, изменение внутренней энергии практически полностью определяется количеством полученной теплоты: $ \Delta U \approx Q $.

Ответ: Изменение внутренней энергии происходит за счёт теплопередачи: вода получает от нагревателя некоторое количество теплоты, что приводит к увеличению кинетической энергии её молекул и, следовательно, к росту её внутренней энергии.

в) при сжатии и растяжении резины;

Изменение внутренней энергии резины при сжатии и растяжении происходит в основном за счет совершения работы при деформации. Резина состоит из длинных полимерных молекул.
При растяжении внешняя сила совершает работу, которая идет на изменение взаимного расположения молекул и их частей, то есть на изменение потенциальной энергии их взаимодействия. Это приводит к увеличению внутренней энергии резины, что может сопровождаться её незначительным нагревом.
При сжатии (или при обратном сокращении после растяжения) изменяется потенциальная энергия взаимодействия между молекулами. Если резина сокращается сама, она совершает работу, и ее внутренняя энергия уменьшается, что приводит к охлаждению.

Ответ: Изменение внутренней энергии происходит за счёт совершения работы при деформации, которая изменяет потенциальную энергию взаимодействия между молекулами, составляющими резину.

г) при таянии льда.

При таянии льда происходит фазовый переход из твердого состояния в жидкое. Этот процесс идет при постоянной температуре (0°C при нормальном давлении). Изменение внутренней энергии в этом случае происходит за счет теплопередачи. Лед поглощает из окружающей среды теплоту, называемую удельной теплотой плавления. Эта энергия не увеличивает кинетическую энергию молекул (поскольку температура не меняется), а расходуется на разрушение кристаллической решетки льда. В результате увеличивается потенциальная энергия взаимодействия молекул воды, так как связи между ними ослабевают, и они получают большую свободу движения. Таким образом, внутренняя энергия вещества в жидком состоянии (воды) оказывается больше, чем внутренняя энергия той же массы вещества в твердом состоянии (льда) при той же температуре. Изменение внутренней энергии равно количеству поглощенной теплоты: $ \Delta U = Q = \lambda m $, где $ \lambda $ - удельная теплота плавления, $ m $ - масса льда.

Ответ: Изменение внутренней энергии происходит за счёт поглощения теплоты (теплоты плавления), которая идёт на разрушение кристаллической структуры льда и увеличение потенциальной энергии взаимодействия молекул при переходе в жидкое состояние.