Номер 38.5, страница 141 - гдз по физике 7-9 класс сборник задач Лукашик, Иванова

§ 38. Внутренняя энергия. Глава 6. Тепловые явления - номер 38.5, страница 141.

38.5 [н] Сравните изменения кинетической и потенциальной энергии молекул газа и металла при нагревании.

При нагревании любого тела его внутренняя энергия увеличивается. Внутренняя энергия складывается из кинетической энергии хаотического движения частиц (молекул, атомов) и потенциальной энергии их взаимодействия. Нагревание приводит к увеличению температуры, а температура является мерой средней кинетической энергии частиц. Следовательно, при нагревании как газа, так и металла, средняя кинетическая энергия их молекул (или атомов) всегда возрастает. Однако соотношение между изменениями кинетической и потенциальной энергий для газа и металла различается.

Сравнение для газа

В газах молекулы находятся на больших расстояниях друг от друга по сравнению с их размерами. Силы межмолекулярного взаимодействия в газах малы, и поэтому потенциальная энергия взаимодействия молекул также мала. В модели идеального газа потенциальной энергией взаимодействия молекул пренебрегают и считают ее равной нулю ($E_p = 0$).

При нагревании газа вся подводимая теплота идет на увеличение его внутренней энергии, что в модели идеального газа эквивалентно увеличению суммарной кинетической энергии его молекул. Скорость их хаотического движения возрастает. Таким образом, изменение внутренней энергии газа практически полностью определяется изменением кинетической энергии: $\Delta U \approx \Delta E_k$. Изменение потенциальной энергии пренебрежимо мало: $\Delta E_p \approx 0$.

Даже для реального газа, где силы взаимодействия существуют, при нагревании основной вклад в изменение внутренней энергии вносит изменение кинетической энергии. Изменение потенциальной энергии, связанное с изменением среднего расстояния между молекулами (при расширении), обычно значительно меньше изменения кинетической энергии.

Ответ: При нагревании газа его внутренняя энергия увеличивается в основном за счет увеличения кинетической энергии молекул. Изменение потенциальной энергии их взаимодействия пренебрежимо мало по сравнению с изменением кинетической энергии ($\Delta E_k \gg \Delta E_p$).

Сравнение для металла

В металлах (как и в других твердых телах) атомы расположены в узлах кристаллической решетки и совершают колебательные движения около своих положений равновесия. Расстояния между атомами малы, а силы взаимодействия очень велики. Поэтому потенциальная энергия взаимодействия атомов является существенной частью внутренней энергии.

При нагревании металла температура растет, что означает увеличение средней кинетической энергии колебательного движения атомов. Амплитуда колебаний атомов в узлах решетки увеличивается.

Одновременно с увеличением амплитуды колебаний увеличивается и среднее расстояние между атомами (это явление называется тепловым расширением). Для увеличения среднего расстояния между атомами необходимо совершить работу против значительных сил меж-атомного притяжения. Эта работа идет на увеличение потенциальной энергии взаимодействия атомов.

Для твердых тел (в рамках модели гармонического осциллятора) показано, что средняя кинетическая энергия колебаний равна средней потенциальной энергии. Поэтому при нагревании увеличение кинетической энергии и увеличение потенциальной энергии оказываются величинами одного порядка. То есть, $\Delta E_k \approx \Delta E_p$. Подводимая к металлу теплота распределяется примерно поровну между увеличением кинетической и потенциальной энергий его атомов.

Ответ: При нагревании металла его внутренняя энергия увеличивается за счет увеличения как кинетической энергии колебательного движения атомов в узлах кристаллической решетки, так и потенциальной энергии их взаимодействия. Эти изменения сопоставимы по величине: $\Delta E_k \approx \Delta E_p$.