Страница 142 - гдз по физике 7-9 класс сборник задач Лукашик, Иванова

38.8 [917] По условиям предыдущей задачи определите:

а) в какой колбе внутренняя энергия воздуха увеличилась, в какой — уменьшилась;

б) в какой колбе внутренняя энергия воздуха больше изменилась относительно первоначального значения, а в какой — меньше;

в) в каком манометре механическая работа по подъёму жидкости больше;

г) за счёт какой энергии совершалась механическая работа по подъёму жидкостей в манометрах.

а) в какой колбе внутренняя энергия воздуха увеличилась, в какой — уменьшилась;

Решение:
Внутренняя энергия идеального газа, каким можно считать воздух, является функцией его температуры. Согласно формуле изменения внутренней энергии $ \Delta U = \frac{i}{2} \nu R \Delta T $, где $ i $ — число степеней свободы, $ \nu $ — количество вещества, $ R $ — универсальная газовая постоянная, а $ \Delta T $ — изменение температуры.

В колбе, которую нагревают, температура воздуха $ T $ увеличивается ($ \Delta T > 0 $), следовательно, его внутренняя энергия $ U $ тоже увеличивается ($ \Delta U > 0 $).

В колбе, которую охлаждают, температура воздуха уменьшается ($ \Delta T < 0 $), что приводит к уменьшению его внутренней энергии ($ \Delta U < 0 $).

Ответ: Внутренняя энергия воздуха увеличилась в нагреваемой колбе и уменьшилась в охлаждаемой колбе.

б) в какой колбе внутренняя энергия воздуха больше изменилась относительно первоначального значения, а в какой — меньше;

Решение:
Для анализа используем первый закон термодинамики: $ Q = \Delta U + A $, где $ Q $ — количество теплоты, переданное газу, $ \Delta U $ — изменение его внутренней энергии, $ A $ — работа, совершённая газом.

1. Для нагреваемой колбы: газу сообщается теплота ($ Q_1 > 0 $). Газ расширяется и совершает положительную работу ($ A_1 > 0 $). Изменение внутренней энергии: $ \Delta U_1 = Q_1 - A_1 $. Часть подводимой теплоты идёт на совершение работы, а остальная часть — на увеличение внутренней энергии.

2. Для охлаждаемой колбы: от газа отводится теплота ($ Q_2 < 0 $). Газ сжимается, то есть внешние силы совершают над ним работу, а работа самого газа отрицательна ($ A_2 < 0 $). Изменение внутренней энергии: $ \Delta U_2 = Q_2 - A_2 $.

Предположим для сравнения, что в обоих случаях модуль переданной теплоты одинаков: $ |Q_1| = |Q_2| = Q $.

Тогда для нагреваемой колбы модуль изменения внутренней энергии равен $ |\Delta U_1| = Q - A_1 $.

Для охлаждаемой колбы, выразим модуль изменения внутренней энергии. Из $ \Delta U_2 = Q_2 - A_2 $, где все величины отрицательны, следует $ -|\Delta U_2| = -|Q_2| - (-|A_2|) = |A_2| - |Q_2| $. Так как температура падает, $ \Delta U_2 < 0 $, что означает $ |A_2| < |Q_2| $. Следовательно, $ |\Delta U_2| = |Q_2| - |A_2| = Q - |A_2| $.

Таким образом, мы сравниваем величины $ |\Delta U_1| = Q - A_1 $ и $ |\Delta U_2| = Q - |A_2| $. Чтобы определить, какая из них больше, нужно сравнить работы $ A_1 $ и $ |A_2| $.

В нагреваемой колбе на совершение работы "помогает" рост давления, в то время как в охлаждаемой колбе работа совершается при падающем давлении. Как показано в пункте (в), при прочих равных условиях (в частности, при одинаковом по модулю изменении температуры), смещение жидкости в манометре, а значит и изменение объёма газа, будет больше в случае охлаждения. Это означает, что $ |A_2| > A_1 $.

Следовательно, $ Q - A_1 > Q - |A_2| $, что означает $ |\Delta U_1| > |\Delta U_2| $.

Физически это можно объяснить так: в нагреваемой колбе подводимая энергия расходуется и на увеличение внутренней энергии, и на совершение работы. В охлаждаемой колбе над газом совершается работа, которая частично компенсирует отвод тепла. Поэтому при одинаковом количестве переданной теплоты изменение внутренней энергии (и температуры) будет больше в нагреваемой колбе.

Ответ: Внутренняя энергия больше изменилась в нагреваемой колбе, а меньше — в охлаждаемой.

в) в каком манометре механическая работа по подъёму жидкости больше;

Решение:
Вопрос предполагает сравнение двух отдельных систем: колба с манометром, которую нагревают, и такая же система, которую охлаждают. Механическая работа по подъёму жидкости в U-образном манометре идёт на увеличение её потенциальной энергии и пропорциональна квадрату разности уровней $ h $: $ A_{мех} \propto h^2 $. Таким образом, задача сводится к сравнению $ h_1 $ (нагрев) и $ h_2 $ (охлаждение).

Из уравнения состояния идеального газа $ \frac{pV}{T} = \text{const} $:

1. Нагрев: $ \frac{p_0 V_0}{T_0} = \frac{p_1 V_1}{T_1} $. Давление и объём увеличиваются: $ p_1 = p_0 + \rho g h_1 $, $ V_1 > V_0 $.

2. Охлаждение: $ \frac{p_0 V_0}{T_0} = \frac{p_2 V_2}{T_2} $. Давление и объём уменьшаются: $ p_2 = p_0 - \rho g h_2 $, $ V_2 < V_0 $.

Предположим, что изменения температуры одинаковы по модулю: $ T_1 = T_0 + \Delta T $, $ T_2 = T_0 - \Delta T $. Тогда изменение произведения $ pV $ также должно быть одинаково по модулю: $ |p_1 V_1 - p_0 V_0| = |p_2 V_2 - p_0 V_0| $.

Рассмотрим изменение $ pV $:

При нагреве: $ \Delta(pV)_1 = p_1 V_1 - p_0 V_0 = (p_0 + \Delta p_1)(V_0 + \Delta V_1) - p_0 V_0 \approx p_0 \Delta V_1 + V_0 \Delta p_1 $.

При охлаждении: $ \Delta(pV)_2 = p_2 V_2 - p_0 V_0 = (p_0 - \Delta p_2)(V_0 - \Delta V_2) - p_0 V_0 \approx - p_0 \Delta V_2 - V_0 \Delta p_2 $.

Здесь $ \Delta p \propto h $ и $ \Delta V \propto h $. Из-за перекрёстного члена $ \Delta p \Delta V $, который положителен в обоих случаях, для достижения одинакового по модулю изменения $ pV $ требуется, чтобы $ h_2 > h_1 $. То есть при охлаждении разность уровней в манометре устанавливается больше, чем при нагреве на ту же разность температур.

Поскольку $ A_{мех} \propto h^2 $, то работа по подъёму жидкости будет больше в манометре, соединённом с охлаждаемой колбой.

Ответ: Механическая работа по подъёму жидкости больше в манометре, соединённом с охлаждаемой колбой.

г) за счёт какой энергии совершалась механическая работа по подъёму жидкостей в манометрах.

Решение:
Механическая работа по подъёму жидкости (увеличение её потенциальной энергии) совершается за счёт разных источников энергии в двух случаях.

1. В нагреваемой колбе: газ, получая тепло от внешнего источника, расширяется и выталкивает жидкость в манометре. Таким образом, работа совершается расширяющимся газом. Энергия для совершения этой работы поступает от внешнего теплового источника (например, от рук, греющих колбу). Часть этой тепловой энергии преобразуется в механическую работу.

2. В охлаждаемой колбе: газ сжимается, и его давление падает ниже атмосферного. Внешнее атмосферное давление, действующее на открытый конец манометра, оказывается больше давления газа в колбе и совершает работу, перемещая жидкость. Таким образом, работа по подъёму жидкости совершается за счёт энергии атмосферы. Охлаждение газа лишь создаёт необходимое для этого условие (разность давлений).

В обоих случаях процесс приводится в движение за счёт теплообмена, который изменяет состояние газа в колбе.

Ответ: В случае нагреваемой колбы работа совершается за счёт энергии, полученной газом от внешнего источника тепла. В случае охлаждаемой колбы работа совершается за счёт энергии атмосферного воздуха (атмосферного давления).

38.9 [918] В один стакан налита холодная вода, в другой — столько же кипятка. В каком стакане вода обладает большей внутренней энергией?

Решение

Внутренняя энергия тела представляет собой сумму кинетической энергии хаотического (теплового) движения его частиц (атомов, молекул) и потенциальной энергии их взаимодействия друг с другом. Главным макроскопическим параметром, характеризующим внутреннюю энергию тела, является его температура. Температура — это мера средней кинетической энергии частиц, из которых состоит тело.

В условии задачи даны два стакана с одинаковым количеством (то есть с одинаковой массой и одинаковым числом молекул) воды. В одном стакане вода холодная, а в другом — кипяток. Температура кипятка (при нормальном атмосферном давлении около $100^\circ\text{C}$) существенно выше температуры холодной воды.

Поскольку температура кипятка выше, средняя кинетическая энергия движения молекул в этом стакане больше, чем средняя кинетическая энергия молекул в стакане с холодной водой. Так как количество молекул воды в обоих стаканах одинаково, то и общая кинетическая энергия всех молекул в стакане с кипятком будет больше. Потенциальная энергия взаимодействия молекул также вносит вклад во внутреннюю энергию, и она также возрастает с температурой (из-за увеличения среднего расстояния между молекулами). Следовательно, общая внутренняя энергия воды в стакане с кипятком будет больше.

Таким образом, чем выше температура тела при прочих равных условиях (масса, агрегатное состояние), тем большей внутренней энергией оно обладает.

Ответ: большей внутренней энергией обладает вода в стакане с кипятком.

38.10 [919] Два медных бруска одинаковой формы и массами 100 г и 500 г были взяты при комнатной температуре и погружены в кипящую воду на одинаковое время. Изменилась ли их внутренняя энергия? Если изменилась, то одинаково или нет? Ответы поясните.

Дано:

Найти:

Изменилась ли внутренняя энергия $\Delta U$? Сравнить $\Delta U_1$ и $\Delta U_2$.

Решение:

Изменилась ли их внутренняя энергия?

Внутренняя энергия макроскопического тела зависит от его температуры. При повышении температуры тела его внутренняя энергия увеличивается, а при понижении — уменьшается.

Изначально медные бруски находились при комнатной температуре (примерно $20^\circ \text{C}$). Их погрузили в кипящую воду, температура которой составляет $100^\circ \text{C}$. В результате процесса теплопередачи бруски начали нагреваться, то есть их температура стала увеличиваться.

Так как температура брусков увеличилась, их внутренняя энергия также увеличилась. Изменение внутренней энергии $\Delta U$ в данном случае равно количеству теплоты $Q$, полученному брусками от воды.

Ответ: Да, внутренняя энергия медных брусков изменилась (увеличилась), так как они нагрелись.

Если изменилась, то одинаково или нет?

Изменение внутренней энергии $\Delta U$ равно количеству полученной теплоты $Q$. Количество теплоты, которое тело получает за определённое время, зависит от скорости теплопередачи (мощности теплового потока). Скорость теплопередачи, в свою очередь, прямо пропорциональна площади поверхности тела $S$, контактирующей с горячей средой, и разности температур между средой и телом.

Оба бруска сделаны из меди и имеют одинаковую форму. Однако их массы различны: $m_2 > m_1$. Поскольку плотность меди одинакова для обоих брусков, брусок с большей массой будет иметь и больший объем: $V_2 > V_1$.

Для тел одинаковой формы больший объем означает большую площадь поверхности. Следовательно, площадь поверхности второго бруска больше площади поверхности первого: $S_2 > S_1$.

Так как бруски погрузили в воду одновременно, в любой момент времени разность температур между водой и каждым из брусков будет примерно одинаковой, но брусок с большей площадью поверхности ($S_2$) будет получать теплоту с большей скоростью. За одинаковый промежуток времени $\tau$ брусок с большей массой получит большее количество теплоты: $Q_2 > Q_1$.

Поскольку изменение внутренней энергии равно полученному количеству теплоты ($\Delta U = Q$), то и изменение внутренней энергии у бруска с большей массой будет больше.

$\Delta U_2 > \Delta U_1$

Ответ: Изменение внутренней энергии неодинаково. Брусок большей массы (500 г) имеет большую площадь поверхности, поэтому за то же время он получил от кипящей воды большее количество теплоты. Следовательно, его внутренняя энергия изменилась больше.

38.11 [920] В сосуде нагрели воду. Можно ли сказать, что внутренняя энергия воды увеличилась? Можно ли сказать, что воде передано некоторое количество теплоты? Ответы поясните.

Можно ли сказать, что внутренняя энергия воды увеличилась?

Да, можно. Внутренняя энергия тела ($U$) — это сумма кинетической энергии хаотического теплового движения составляющих его частиц (молекул, атомов) и потенциальной энергии их взаимодействия. Нагревание воды означает повышение её температуры. Температура же является макроскопической величиной, характеризующей среднюю кинетическую энергию частиц вещества. Таким образом, при повышении температуры воды увеличивается скорость движения её молекул, что ведёт к увеличению их кинетической энергии, а следовательно, и к увеличению внутренней энергии всей воды.

Ответ: да, внутренняя энергия воды увеличилась, так как нагревание приводит к росту температуры, а температура является мерой средней кинетической энергии молекул.

Можно ли сказать, что воде передано некоторое количество теплоты?

Не обязательно. Согласно первому закону термодинамики, изменение внутренней энергии системы ($\Delta U$) может происходить двумя способами: за счёт совершения работы над системой ($A'$) или за счёт теплообмена с окружающей средой ($Q$). Формула выглядит так: $\Delta U = Q + A'$.

Как мы установили, внутренняя энергия воды увеличилась, то есть $\Delta U > 0$. Это могло произойти в результате одного из процессов или их комбинации:

1. Теплопередача: вода получила энергию от более нагретого тела (например, от конфорки плиты). В этом случае воде было передано некоторое количество теплоты ($Q > 0$).
2. Совершение работы: внутреннюю энергию воды можно увеличить, совершая над ней механическую работу (например, интенсивно перемешивая её). В этом случае работа внешних сил положительна ($A' > 0$), и температура воды повысится даже без теплообмена с окружающей средой ($Q = 0$).

Термин «нагрели» описывает результат (повышение температуры), но не уточняет способ, которым это было достигнуто. Поэтому, основываясь только на условии задачи, мы можем быть уверены лишь в увеличении внутренней энергии, но не можем однозначно утверждать, что имел место именно процесс теплопередачи.

Ответ: нет, однозначно утверждать это нельзя. Увеличить внутреннюю энергию воды (т.е. нагреть её) можно не только путем передачи теплоты, но и путем совершения над ней работы.

38.12 [921] После обработки на точильном круге зубило становится горячим. Зубило, вынутое из горна, тоже горячее. Одинакова ли причина повышения температуры инструментов?

Нет, причина повышения температуры инструментов в описанных случаях разная. Хотя конечный результат — нагрев зубила — один и тот же, физические процессы, приводящие к этому, отличаются. В термодинамике существует два способа изменения внутренней энергии тела: совершение работы и теплопередача.

Нагрев на точильном круге: Когда зубило затачивают, оно с силой прижимается к вращающемуся точильному кругу. Между их поверхностями возникает значительная сила трения. Эта сила совершает механическую работу, которая преобразуется во внутреннюю энергию зубила и точильного круга. Увеличение внутренней энергии проявляется в виде повышения их температуры. Следовательно, в этом случае нагрев является результатом совершения работы.

Нагрев в горне: Когда зубило помещают в горн, оно оказывается в среде с гораздо более высокой температурой. Энергия от горящего топлива, раскаленных стенок горна и горячих газов передается зубилу. Этот процесс передачи энергии от более нагретого тела к менее нагретому называется теплопередачей (или теплообменом). Внутренняя энергия зубила увеличивается за счет полученного количества теплоты.

Таким образом, мы имеем два разных способа увеличения внутренней энергии.

Ответ: Нет, причина повышения температуры инструментов не одинакова. При обработке на точильном круге температура зубила повышается в результате совершения механической работы силой трения. В горне зубило нагревается в результате процесса теплопередачи от более горячих тел.

38.13 [922] В закрытой трубке находится капля ртути (рис. VI-2). Трубку с одного конца нагрели. Объясните, за счёт какой энергии совершается работа по перемещению ртути в трубке.

Рис. VI-2

Решение

В закрытой трубке капля ртути разделяет находящийся в ней газ на два изолированных объема. Изначально система находится в состоянии равновесия: температура и давление газа в обеих частях трубки одинаковы, поэтому капля ртути неподвижна.

Когда один конец трубки нагревают, газ в этой части получает определенное количество теплоты ($Q$). Согласно первому закону термодинамики, это тепло идет на изменение внутренней энергии газа ($\Delta U$) и на совершение газом работы ($A$) по перемещению капли:

$$Q = \Delta U + A$$

Нагревание газа приводит к увеличению его температуры. Внутренняя энергия газа, которая представляет собой сумму кинетических энергий его молекул, прямо пропорциональна температуре. Таким образом, внутренняя энергия газа в нагреваемой части трубки увеличивается.

Согласно уравнению состояния идеального газа, увеличение температуры приводит к росту давления газа в нагреваемой части. Возникает разность давлений по обе стороны ртутной капли. Эта разность давлений создает силу, которая действует на каплю и заставляет ее двигаться в сторону холодного конца трубки. Движение капли означает, что нагреваемый газ расширяется и совершает механическую работу.

Таким образом, источником энергии для совершения работы по перемещению ртути является внутренняя энергия газа, которая увеличилась за счет подвода тепла извне. Газ, расширяясь, преобразует часть своей внутренней энергии в механическую работу.

Ответ: Работа по перемещению ртути в трубке совершается за счет внутренней энергии газа, находящегося в нагреваемой части трубки.

38.14 [923] При трении головки спички о коробок спичка воспламеняется. Объясните явление.

38.14 [923]

Решение

Воспламенение спички при трении о коробок — это физико-химическое явление, основанное на превращении механической энергии в тепловую с последующим запуском химической реакции горения.

Когда мы с силой проводим головкой спички по специальной поверхности коробка (тёрке), совершается механическая работа против силы трения. Согласно закону сохранения энергии, эта работа переходит во внутреннюю энергию соприкасающихся веществ, что приводит к их резкому локальному нагреву. Тёрка коробка специально сделана шероховатой (часто содержит толчёное стекло), чтобы увеличить силу трения и, соответственно, количество выделяемого тепла.

Головка спички и тёрка содержат химические вещества, которые легко воспламеняются при нагревании. В состав головки обычно входит окислитель, такой как бертолетова соль ($KClO_3$), и горючие компоненты, например, сера ($S$). Тёрка на коробке содержит красный фосфор ($P$).

Тепла, выделившегося в результате трения, достаточно для достижения температуры воспламенения. При этой температуре начинается бурная экзотермическая реакция (реакция с выделением тепла) между красным фосфором на тёрке и компонентами головки спички. Эта первичная вспышка поджигает основную горючую массу на головке. Горение головки, в свою очередь, передаёт пламя на деревянную часть спички (соломку), которая для лучшего горения может быть пропитана парафином.

Таким образом, в основе явления лежит преобразование работы силы трения в тепло, которое инициирует цепную химическую реакцию горения.

Ответ: При трении головки спички о коробок совершается работа против силы трения. Эта работа преобразуется во внутреннюю энергию (теплоту), в результате чего температура в месте контакта резко повышается. Этого тепла достаточно, чтобы достичь температуры воспламенения и запустить экзотермическую химическую реакцию между веществами, содержащимися в головке спички и на тёрочной поверхности коробка. Выделившееся в ходе реакции тепло вызывает воспламенение всей головки спички.

38.15 [924] Спичка загорается при трении её о коробок. Она вспыхивает и при внесении её в пламя свечи. В чём сходство и различие причин, приводящих к воспламенению спички в обоих случаях?

Решение

Сходство

Сходство в обоих случаях заключается в конечном условии, необходимом для воспламенения: головка спички должна быть нагрета до определённой температуры, называемой температурой воспламенения. При достижении этой температуры внутренняя энергия веществ в головке спички становится достаточной для запуска быстрой экзотермической химической реакции — горения.

Различие

Различие состоит в способе, которым спичка получает энергию для нагрева до температуры воспламенения.

• При трении о коробок: Нагрев является результатом преобразования энергии. Механическая работа, совершаемая против силы трения, переходит во внутреннюю (тепловую) энергию. То есть, происходит преобразование механической энергии в тепловую. Работа силы трения $A_{тр}$ вызывает выделение количества теплоты $Q$, которое и нагревает спичку: $A_{тр} = Q$.

• При внесении в пламя свечи: Нагрев происходит путём прямого теплообмена. Спичка получает тепловую энергию от пламени (более нагретого тела) посредством теплопередачи (конвекции и излучения). В этом случае происходит передача уже существующей тепловой энергии от одного тела к другому, а не её преобразование из другого вида энергии.

Ответ: Сходство: в обоих случаях для воспламенения спичку необходимо нагреть до температуры воспламенения. Различие: в первом случае нагрев происходит за счёт работы силы трения (преобразование механической энергии в тепловую), а во втором — за счёт прямой теплопередачи от пламени.

38.16 [925] Можно ли сказать (см. предыдущую задачу), что внутренняя энергия спичечной головки увеличилась; что ей передано некоторое количество теплоты; что она нагрелась до температуры воспламенения?

Можно ли сказать, что внутренняя энергия спичечной головки увеличилась?
Да, можно. При трении спички о коробок совершается работа против сил трения. Эта механическая работа преобразуется во внутреннюю энергию головки спички, что приводит к увеличению кинетической энергии хаотического движения ее частиц и, как следствие, к повышению ее температуры. Увеличение внутренней энергии является прямым следствием совершённой работы. Согласно первому закону термодинамики, изменение внутренней энергии $\Delta U$ равно сумме работы $A$, совершённой над системой, и количества теплоты $Q$, переданного системе: $\Delta U = A + Q$. В данном случае работа $A$ совершается над головкой, поэтому она положительна ($A > 0$), что и вызывает увеличение ее внутренней энергии ($\Delta U > 0$).

Ответ: да, можно сказать, что внутренняя энергия спичечной головки увеличилась.

Можно ли сказать, что ей передано некоторое количество теплоты?
Нет, нельзя. В физике под количеством теплоты понимают энергию, передаваемую в процессе теплообмена от более нагретого тела к менее нагретому. В данном случае источником увеличения внутренней энергии является не теплообмен, а совершение механической работы. Спичечная головка нагревается не потому, что контактирует с более горячим телом, а потому что над ней совершают работу. Поэтому говорить о передаче количества теплоты в этом процессе некорректно.

Ответ: нет, нельзя, так как увеличение внутренней энергии произошло за счет совершения работы, а не за счет теплопередачи.

Можно ли сказать, что она нагрелась до температуры воспламенения?
Да, можно. Спичка загорается именно в тот момент, когда ее головка в результате трения нагревается до определенной температуры — температуры воспламенения. При достижении этой температуры запускается быстрая экзотермическая химическая реакция (горение) веществ, входящих в состав головки. Весь смысл трения спички заключается в том, чтобы за счет работы нагреть её до этой критической температуры.

Ответ: да, можно, именно достижение температуры воспламенения является причиной её загорания.

38.17 [926] Почему врач, поставив медицинский термометр больному, смотрит показание не раньше чем через 3–5 мин?

Когда врач ставит медицинский термометр больному, он приводит в контакт два тела с разной температурой: термометр, имеющий температуру окружающей среды, и тело пациента, температура которого выше. Согласно второму началу термодинамики, начинается процесс теплопередачи от более нагретого тела (пациента) к менее нагретому (термометру).

Этот процесс теплообмена не является мгновенным. Он требует определенного времени, в течение которого термометр поглощает тепловую энергию, и его собственная температура постепенно повышается. В результате этого нагрева рабочее вещество в термометре (например, ртуть или галинстан) расширяется, и столбик поднимается по шкале.

Показания термометра будут достоверными только тогда, когда он достигнет состояния теплового равновесия с телом пациента. В этом состоянии их температуры выравниваются, и процесс теплообмена между ними практически прекращается. Показания термометра стабилизируются и перестают изменяться.

Продолжительность в 3–5 минут — это установленное на практике время, которое необходимо для того, чтобы стандартный медицинский термометр достиг теплового равновесия с телом человека (например, в подмышечной впадине) и показал его истинную температуру. Если снять показания раньше, термометр еще не успеет полностью прогреться, и измеренное значение будет ниже реального, что приведет к неверной оценке состояния больного.

Ответ: Врач ждет 3–5 минут для того, чтобы термометр успел нагреться до температуры тела пациента и между ними установилось тепловое равновесие. Только после этого показания термометра станут точными и достоверными.

38.18 [927] Какие превращения энергии происходят в опыте (рис. VI-3)?

Рис. VI-3

Решение

В данном опыте происходит следующая цепь превращений энергии:

1. При горении топлива в горелке его химическая энергия преобразуется в тепловую энергию, которая выделяется в виде тепла и света пламенем.
2. Тепловая энергия от пламени передается воде в пробирке. В результате этого внутренняя энергия воды увеличивается, она нагревается, закипает и превращается в пар. Таким образом, тепловая энергия преобразуется во внутреннюю энергию пара.
3. Пар, обладая большой внутренней энергией, расширяется и оказывает давление на пробку. Совершая работу по выталкиванию пробки, пар передает ей часть своей энергии. Следовательно, внутренняя энергия пара превращается в механическую энергию пробки. Эта механическая энергия состоит из кинетической энергии (пробка приобретает скорость) и потенциальной энергии (пробка поднимается на определенную высоту).

Таким образом, общая последовательность превращений энергии такова: химическая энергия $\rightarrow$ внутренняя энергия $\rightarrow$ механическая энергия.

Ответ: Происходит превращение химической энергии топлива во внутреннюю энергию пара, которая, в свою очередь, преобразуется в механическую (кинетическую и потенциальную) энергию пробки.