Номер 38.30, страница 143 - гдз по физике 7-9 класс сборник задач Лукашик, Иванова

§ 38. Внутренняя энергия. Глава 6. Тепловые явления - номер 38.30, страница 143.

38.30 [938] Ответьте на вопросы:

1) Какие превращения энергии происходят при торможении движущегося автомобиля?

2) Почему вода фонтана не поднимается до уровня воды в воронке (см. рис. III-47)?

3) Как изменяется внутренняя энергия газа в пузырьке, который всплывает со дна водоёма?

1) При торможении движущегося автомобиля происходит преобразование его кинетической энергии. Автомобиль обладает кинетической энергией, которая определяется его массой и скоростью по формуле $E_k = \frac{mv^2}{2}$. В процессе торможения работа сил трения приводит к уменьшению этой энергии до нуля. Эта работа преобразуется в основном во внутреннюю энергию.
Основные превращения:
- Кинетическая энергия автомобиля переходит во внутреннюю энергию тормозных колодок и дисков (или барабанов). Они сильно нагреваются из-за трения.
- Кинетическая энергия также переходит во внутреннюю энергию шин и дорожного покрытия в месте их контакта из-за трения качения и проскальзывания.
- Часть энергии рассеивается в окружающую среду за счет сопротивления воздуха, которое также совершает отрицательную работу, превращая кинетическую энергию во внутреннюю энергию воздуха.
Таким образом, происходит переход механической (кинетической) энергии во внутреннюю (тепловую) энергию.

Ответ: Кинетическая энергия движущегося автомобиля превращается во внутреннюю энергию тормозных механизмов, шин, дорожного покрытия и окружающего воздуха.

2) Вода в фонтане не поднимается до уровня воды в питающей воронке (или резервуаре) из-за неизбежных потерь механической энергии. Согласно закону сохранения энергии, в идеальной системе без трения вода, вылетая из сопла фонтана, должна была бы подняться на высоту, соответствующую уровню воды в источнике. Ее начальная кинетическая энергия полностью перешла бы в потенциальную.
Однако в реальных условиях часть механической энергии воды теряется и переходит во внутреннюю энергию (тепло) из-за нескольких факторов:
- Трение о стенки труб: При движении воды по трубам к соплу фонтана возникает вязкое трение, которое "отнимает" часть энергии.
- Сопротивление воздуха: Струя воды и отдельные капли при движении вверх испытывают сопротивление воздуха, которое совершает отрицательную работу и уменьшает их механическую энергию.
- Внутреннее трение в жидкости (вязкость): При выходе из сопла и распаде струи на капли возникают турбулентные потоки и внутреннее трение, что также приводит к диссипации (рассеянию) энергии.
Из-за этих потерь полной энергии, сообщенной воде в начальный момент, не хватает для достижения первоначальной высоты.

Ответ: Вода фонтана не достигает уровня воды в воронке из-за потерь механической энергии на трение о стенки труб, на сопротивление воздуха и на внутреннее трение в самой воде.

3) Внутренняя энергия газа в пузырьке, всплывающем со дна водоёма, как правило, увеличивается. Рассмотрим происходящие процессы.
- Изменение давления и объема: По мере всплытия пузырька глубина уменьшается, а значит, уменьшается и гидростатическое давление воды на него. Давление газа внутри пузырька также падает, и в результате газ расширяется, увеличивая объем пузырька. При расширении газ совершает работу над окружающей водой. Совершение работы газом должно было бы приводить к уменьшению его внутренней энергии (охлаждению).
- Теплообмен с водой: Пузырек находится в постоянном тепловом контакте с окружающей водой. В большинстве водоемов (особенно в теплое время года) температура воды у поверхности выше, чем на глубине. Поднимаясь со дна, пузырек попадает во все более теплые слои воды. Из-за разности температур происходит теплопередача от воды к газу в пузырьке ($Q > 0$).
Изменение внутренней энергии газа ($\Delta U$) согласно первому закону термодинамики равно $\Delta U = Q - A'$, где $Q$ — полученное газом тепло, а $A'$ — работа, совершенная газом.
Поскольку пузырек получает тепло от более теплой воды ($Q > 0$) и одновременно совершает работу ($A' > 0$), итоговое изменение внутренней энергии зависит от соотношения этих величин. Как правило, нагрев газа от окружающей воды оказывается более существенным фактором, чем его охлаждение из-за расширения. Температура газа в пузырьке повышается по мере приближения к поверхности.
Так как внутренняя энергия идеального газа прямо пропорциональна его абсолютной температуре ($U \propto T$), увеличение температуры приводит к увеличению внутренней энергии.
В частном случае, если бы температура воды была одинаковой на всех глубинах, процесс всплытия был бы практически изотермическим (температура газа не менялась бы), и внутренняя энергия осталась бы почти постоянной. Однако в реальности температурный градиент почти всегда присутствует.

Ответ: Внутренняя энергия газа в пузырьке увеличивается, так как при всплытии он попадает в более теплые слои воды, и получаемое им количество теплоты превышает работу, совершаемую газом при расширении.