Номер 38.35, страница 144 - гдз по физике 7-9 класс сборник задач Лукашик, Иванова

§ 38. Внутренняя энергия. Глава 6. Тепловые явления - номер 38.35, страница 144.

38.35 [943] Как объяснить, что при откачивании воздуха из баллона внутренняя энергия оставшейся части воздуха уменьшилась?

Решение

Уменьшение внутренней энергии оставшейся в баллоне части воздуха при откачивании объясняется с помощью первого закона термодинамики. Согласно этому закону, изменение внутренней энергии системы ($\Delta U$) равно сумме работы, совершённой над системой ($A'$), и количества теплоты, переданного системе ($Q$):

$ \Delta U = Q + A' $

Также закон можно записать через работу, совершаемую самой системой ($A$):

$ \Delta U = Q - A $

Рассмотрим процесс откачивания воздуха из баллона с точки зрения оставшейся в нем части воздуха:

1. Совершение работы ($A$). Когда часть воздуха покидает баллон, оставшийся воздух расширяется, чтобы заполнить весь объем баллона. При этом расширении оставшийся газ совершает работу, выталкивая ту порцию воздуха, которая выходит наружу. Следовательно, работа, совершаемая системой (оставшимся воздухом), положительна ($A > 0$).

2. Теплообмен ($Q$). Процесс откачивания воздуха, как правило, происходит очень быстро. За столь короткое время система (воздух в баллоне) не успевает обменяться значительным количеством теплоты с окружающей средой (стенками баллона). Такой процесс называется адиабатическим, и для него можно принять, что количество переданной теплоты равно нулю ($Q \approx 0$).

Подставив эти условия ($A > 0$ и $Q \approx 0$) в формулу первого закона термодинамики, получаем:

$ \Delta U = 0 - A = -A $

Поскольку работа $A$ положительна, изменение внутренней энергии $\Delta U$ оказывается отрицательным ($\Delta U < 0$). Это означает, что внутренняя энергия оставшейся в баллоне части воздуха уменьшается.

Для идеального газа, моделью которого можно описать воздух, внутренняя энергия напрямую зависит от его температуры. Уменьшение внутренней энергии приводит к понижению температуры газа. Именно поэтому баллон при быстром выпуске газа из него ощутимо охлаждается.

Ответ: При откачивании воздуха оставшаяся в баллоне его часть расширяется и совершает работу по выталкиванию выходящего воздуха. Так как процесс происходит быстро (адиабатически), то теплообмен с окружающей средой практически отсутствует. Согласно первому закону термодинамики, если газ совершает работу без получения тепла извне, его внутренняя энергия уменьшается, что приводит к его охлаждению.