Номер 689, страница 80 - гдз по физике 7-9 класс сборник задач Перышкин

8 класс. Тепловые явления. 29. Тепловое движение. Внутренняя энергия - номер 689, страница 80.

Решение.

Решение

Изменение внутренней энергии газа при его расширении зависит от условий, в которых этот процесс происходит. Для анализа этого явления используется первый закон термодинамики, который связывает изменение внутренней энергии системы $\Delta U$ с количеством теплоты, переданным системе $\text{Q}$, и работой, совершённой системой $\text{A}$:

$\Delta U = Q - A$

При любом расширении объём газа увеличивается, и он совершает положительную работу ($A > 0$). Дальнейшее изменение внутренней энергии зависит от теплообмена с окружающей средой (величины и знака $\text{Q}$). Рассмотрим несколько ключевых процессов расширения:

Адиабатное расширение. Этот процесс протекает в теплоизолированной системе, то есть без теплообмена с окружающей средой ($Q = 0$). В этом случае первый закон термодинамики принимает вид $\Delta U = -A$. Поскольку работа $\text{A}$ при расширении положительна, изменение внутренней энергии $\Delta U$ будет отрицательным. Это означает, что внутренняя энергия газа уменьшается. Газ совершает работу исключительно за счёт своей внутренней энергии, что приводит к его охлаждению.

Изотермическое расширение. Этот процесс происходит при постоянной температуре ($T = \text{const}$). Внутренняя энергия идеального газа является функцией только его температуры. Следовательно, если температура не меняется, то и внутренняя энергия остаётся постоянной, то есть $\Delta U = 0$. Из первого закона термодинамики в этом случае следует, что $Q - A = 0$, или $Q = A$. Это значит, что всё подводимое к газу количество теплоты полностью преобразуется в работу, совершаемую газом. Таким образом, при изотермическом расширении внутренняя энергия идеального газа не изменяется.

Изобарное расширение. Этот процесс происходит при постоянном давлении ($P = \text{const}$). Чтобы газ расширялся при постоянном давлении, к нему обычно необходимо подводить тепло ($Q > 0$). Согласно уравнению состояния идеального газа ($PV = \nu RT$), увеличение объёма $\text{V}$ при постоянном $\text{P}$ приводит к росту температуры $\text{T}$. Так как внутренняя энергия идеального газа прямо пропорциональна его температуре, она также увеличивается ($\Delta U > 0$). В этом случае подводимое тепло $\text{Q}$ расходуется как на совершение работы $\text{A}$, так и на увеличение внутренней энергии $\Delta U$.

Таким образом, ответ на вопрос не является однозначным и зависит от конкретного термодинамического процесса.

Ответ: Да, внутренняя энергия газа при его расширении, как правило, изменяется. Характер этого изменения зависит от условий, в которых происходит расширение:

• при адиабатном расширении внутренняя энергия уменьшается;
• при изотермическом расширении идеального газа внутренняя энергия не изменяется;
• при изобарном расширении (с подводом тепла) внутренняя энергия увеличивается.