Номер 7.7, страница 37 - гдз по физике 8 класс задачник Генденштейн, Кирик

Тепловые явления. 7. Испарение, конденсация, кипение - номер 7.7, страница 37.

Условие.

7.7. Что обладает большей внутренней энергией: вода массой 1 кг при температуре $100\ ^\circ\text{C}$ или водяной пар такой же массы при той же температуре? Обоснуйте свой ответ.

Решение.

7.7. Внутренняя энергия тела складывается из кинетической энергии хаотического движения составляющих его частиц (молекул, атомов) и потенциальной энергии их взаимодействия.

Сравним внутреннюю энергию 1 кг воды и 1 кг водяного пара при одинаковой температуре 100 °C.

Поскольку температура воды и пара одинакова, то средняя кинетическая энергия движения молекул в обоих агрегатных состояниях будет одинаковой. Однако внутренняя энергия также включает в себя потенциальную энергию взаимодействия молекул.

Для того чтобы превратить воду, находящуюся при температуре кипения (100 °C), в пар при той же температуре, к ней необходимо подвести определённое количество теплоты, называемое теплотой парообразования. Эта энергия расходуется на преодоление сил межмолекулярного притяжения в жидкости и на работу по расширению газа. В результате расстояние между молекулами в паре становится значительно больше, чем в воде, что приводит к увеличению их потенциальной энергии.

Таким образом, внутренняя энергия водяного пара при 100 °C больше внутренней энергии воды той же массы и при той же температуре на величину, равную количеству теплоты, затраченной на парообразование.

Дано:

Масса воды и пара: $m = 1$ кг
Температура воды и пара: $t = 100$ °C
Удельная теплота парообразования воды (табличное значение): $L \approx 2,3 \cdot 10^6$ Дж/кг

Найти:

Сравнить внутреннюю энергию воды ($U_{воды}$) и пара ($U_{пара}$).

Решение:

Количество теплоты $\text{Q}$, необходимое для превращения 1 кг воды при 100 °C в пар при 100 °C, вычисляется по формуле:

$Q = L \cdot m$

Эта подведенная энергия полностью переходит в увеличение внутренней энергии вещества. Следовательно, внутренняя энергия пара ($U_{пара}$) будет больше внутренней энергии воды ($U_{воды}$) на величину $\text{Q}$.

$U_{пара} = U_{воды} + Q$

Найдем разницу во внутренней энергии:

$\Delta U = U_{пара} - U_{воды} = L \cdot m$

$\Delta U = 2,3 \cdot 10^6 \frac{Дж}{кг} \cdot 1 \text{ кг} = 2,3 \cdot 10^6 \text{ Дж}$

Поскольку разница положительна, внутренняя энергия пара больше.

Ответ: большей внутренней энергией обладает водяной пар. Несмотря на одинаковую температуру (а значит, и одинаковую среднюю кинетическую энергию молекул), потенциальная энергия взаимодействия молекул пара значительно выше, так как для превращения воды в пар была затрачена энергия (теплота парообразования) на преодоление сил притяжения между молекулами.