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

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

Условие.

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?

Решение.

Решение 3.

Решение 4.

Решение 5.

Решение 6.

Решение 7.

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.