Номер §4, страница 126, часть 1 - гдз по физике 8 класс учебник Генденштейн, Булатова

Часть 1. Олимпиадные задачи. Глава II. Тепловые явления. Параграф 5. Удельная теплоёмкость - номер §4, страница 126.

Условие.

1. Тёплый воздух легче холодного и поэтому поднимается вверх. Почему он при этом охлаждается?

Решение.

1. Охлаждение тёплого воздуха при его подъёме в атмосфере является следствием фундаментальных законов физики и происходит из-за его расширения в условиях понижающегося давления. Этот процесс называется адиабатным охлаждением и происходит в несколько этапов:

1. Падение давления с высотой. С увеличением высоты над поверхностью Земли атмосферное давление уменьшается. Когда порция (или, как говорят, пакет) тёплого воздуха поднимается вверх, она попадает в область с более низким внешним давлением.

2. Расширение воздуха. Из-за того что давление внутри поднимающегося пакета воздуха становится выше, чем давление окружающей среды, он начинает расширяться.

3. Совершение работы. Расширяясь, воздух совершает работу против сил внешнего давления, то есть "расталкивает" окружающие его более разреженные слои атмосферы. На совершение этой работы тратится энергия.

4. Адиабатный процесс. Подъём воздуха происходит достаточно быстро, а сам воздух является плохим проводником тепла. Поэтому за время подъёма воздушный пакет практически не успевает обменяться теплом с окружающей средой. Процесс, который протекает без теплообмена с окружающей средой ($Q=0$), называется адиабатным.

5. Применение первого закона термодинамики. Согласно первому закону термодинамики, количество теплоты $\text{Q}$, полученное системой, идёт на изменение её внутренней энергии $\Delta U$ и на совершение системой работы $A_{газа}$ над внешними телами: $Q = \Delta U + A_{газа}$.

Так как процесс адиабатный, то $Q=0$. Следовательно, формула принимает вид $0 = \Delta U + A_{газа}$, откуда $\Delta U = -A_{газа}$. Это означает, что работа, совершаемая воздухом при расширении ($A_{газа} > 0$), происходит исключительно за счёт уменьшения его собственной внутренней энергии ($\Delta U < 0$).

6. Понижение температуры. Внутренняя энергия идеального газа (моделью которого с хорошей точностью является воздух) прямо пропорциональна его абсолютной температуре. Следовательно, уменьшение внутренней энергии неизбежно ведёт к понижению температуры воздуха.

Ответ: При подъёме тёплый воздух попадает в слои атмосферы с более низким давлением, из-за чего он расширяется. Расширяясь, воздух совершает работу против внешних сил. Поскольку этот процесс происходит быстро и практически без теплообмена с окружающей средой (адиабатно), работа совершается за счёт собственной внутренней энергии воздуха. Уменьшение внутренней энергии приводит к понижению его температуры.