Номер 38.22, страница 143 - гдз по физике 7-9 класс сборник задач Лукашик, Иванова

§ 38. Внутренняя энергия. Глава 6. Тепловые явления - номер 38.22, страница 143.

38.22 [930] Приведите примеры изменения внутренней энергии тела в процессе совершения работы при трении, ударе, сжатии.

Изменение внутренней энергии тела ($\Delta U$) может происходить за счет совершения над ним механической работы ($A$) или за счет теплопередачи ($Q$). Согласно первому закону термодинамики, $\Delta U = A + Q$. В рассматриваемых случаях (трение, удар, сжатие) изменение внутренней энергии происходит преимущественно за счет совершения работы внешними силами над телом. Механическая энергия (кинетическая или потенциальная) переходит во внутреннюю энергию, что обычно проявляется в увеличении температуры тела.

При трении

Когда одно тело движется по поверхности другого, сила трения совершает работу. Эта работа приводит к преобразованию механической энергии в тепловую, то есть к увеличению внутренней энергии соприкасающихся тел. В результате тела нагреваются.

Пример 1: Если быстро потереть ладони друг о друга, можно почувствовать, как они согреваются. Мышцы совершают работу для преодоления силы трения между ладонями. Эта работа переходит во внутреннюю энергию кожи, и ее температура повышается.

Пример 2: При торможении автомобиля тормозные колодки прижимаются к дискам. За счет силы трения кинетическая энергия автомобиля переходит во внутреннюю энергию колодок и дисков, что вызывает их сильный нагрев.

Пример 3: Затачивание ножа на точильном камне. Работа, совершаемая против силы трения между лезвием и камнем, вызывает нагрев как лезвия, так и камня.

Ответ: При трении ладоней друг о друга или при торможении автомобиля работа силы трения переходит во внутреннюю энергию тел, вызывая их нагрев.

При ударе

При неупругом ударе часть кинетической энергии тел, участвующих в столкновении, не сохраняется. Она переходит во внутреннюю энергию, вызывая деформацию и нагрев тел. Работа совершается силами, действующими во время столкновения, и идет на изменение структуры и внутренней энергии тел.

Пример 1: Если ударить молотком по куску свинца или по гвоздю, то после нескольких ударов и молоток, и свинец (или гвоздь) нагреются. Это происходит потому, что работа, совершаемая при деформации металла во время удара, превращается во внутреннюю энергию.

Пример 2: Падение метеорита на землю. При ударе его огромная кинетическая энергия практически мгновенно переходит во внутреннюю энергию, что приводит к взрыву, плавлению и испарению вещества метеорита и грунта в месте падения.

Ответ: При ударе молотком по гвоздю часть кинетической энергии молотка переходит во внутреннюю энергию гвоздя и молотка, в результате чего они нагреваются.

При сжатии

При быстром сжатии тела (особенно газа) внешние силы совершают над ним работу. Эта работа напрямую увеличивает внутреннюю энергию тела. Если процесс происходит достаточно быстро, теплообмен с окружающей средой незначителен ($Q \approx 0$), и практически вся работа идет на увеличение внутренней энергии: $\Delta U = A$. Для газов это приводит к заметному повышению температуры.

Пример 1: При накачивании велосипедной шины ручным насосом, насос заметно нагревается. Это происходит потому, что при сжатии воздуха в насосе совершается работа, которая увеличивает внутреннюю энергию воздуха, а следовательно, и его температуру. Затем нагретый воздух отдает тепло стенкам насоса.

Пример 2: В дизельном двигателе происходит резкое сжатие воздуха в цилиндре поршнем. В результате адиабатического сжатия воздух нагревается до температуры, достаточной для воспламенения впрыскиваемого топлива без необходимости в свече зажигания.

Ответ: При резком сжатии воздуха в велосипедном насосе совершаемая работа переходит во внутреннюю энергию воздуха, что приводит к его нагреву и, как следствие, к нагреву корпуса насоса.