Экспериментальное исследование, страница 24 - гдз по физике 8 класс учебник Хижнякова, Синявина

Глава 2. Внутренняя энергия. Первый закон термодинамики. Параграф 6. Внутренняя энергия. Работа и изменение внутренней энергии. Вопросы - страница 24.

Условие.

Экспериментальное исследование

С помощью короткой резиновой трубочки соединяют два стеклянных цилиндра (рис. 24). В цилиндр 1 вставляют резиновую пробку 2 с электрическим термометром 3. С помощью поршня цилиндра 4 сжимают воздух в цилиндрах и наблюдают повышение температуры.

а) За счёт чего происходит изменение внутренней энергии воздуха?

б) Как нужно изменить опыт, чтобы наблюдать понижение температуры воздуха в цилиндрах?

Рис. 24

Решение.

а) За счёт чего происходит изменение внутренней энергии воздуха?

Изменение внутренней энергии системы описывается первым законом термодинамики: $ \Delta U = Q + A' $, где $ \Delta U $ – изменение внутренней энергии, $ Q $ – количество теплоты, переданное системе, и $ A' $ – работа, совершённая над системой внешними силами.

В данном опыте поршень 4 сжимает воздух, то есть внешние силы совершают над газом работу. Эта работа положительна ($ A' > 0 $). Поскольку процесс сжатия происходит достаточно быстро, можно считать его адиабатным, то есть без теплообмена с окружающей средой ($ Q \approx 0 $).

При таких условиях первый закон термодинамики упрощается до $ \Delta U = A' $. Так как работа, совершённая над газом, положительна, то и изменение его внутренней энергии положительно ($ \Delta U > 0 $), то есть внутренняя энергия воздуха увеличивается. Увеличение внутренней энергии идеального газа напрямую ведёт к росту его температуры, что и фиксирует термометр.

Ответ: Изменение внутренней энергии воздуха происходит за счёт совершения механической работы над ним внешними силами (поршнем) в процессе сжатия.

б) Как нужно изменить опыт, чтобы наблюдать понижение температуры воздуха в цилиндрах?

Понижение температуры воздуха соответствует уменьшению его внутренней энергии ($ \Delta U < 0 $). Исходя из первого закона термодинамики для адиабатного процесса ($ \Delta U = A' $), уменьшение внутренней энергии произойдёт в том случае, если работа, совершённая над газом, будет отрицательной ($ A' < 0 $).

Отрицательная работа внешних сил означает, что сам газ совершает положительную работу над внешними телами (например, над поршнем). Газ совершает работу при расширении.

Следовательно, для наблюдения понижения температуры необходимо, чтобы воздух в цилиндрах расширялся. Для этого в эксперименте нужно изменить направление движения поршня 4: не вдвигать его, а выдвигать из цилиндра. При быстром (адиабатном) расширении воздух будет совершать работу по перемещению поршня за счёт своей внутренней энергии. Это приведёт к уменьшению внутренней энергии и, как следствие, к понижению температуры.

Ответ: Чтобы наблюдать понижение температуры воздуха, нужно выдвигать поршень из цилиндра, заставляя воздух адиабатно расширяться.