Номер 3, 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 - номер 3, страница 24.

Условие.

3. По рис. 20 объясните преобразование внутренней энергии газа в кинетическую энергию пробки.

Рис. 20

Решение.

Решение

На рисунке изображен опыт, демонстрирующий совершение работы газом за счет его внутренней энергии. Рассмотрим процесс поэтапно.

1. Изначально воздух в пробирке и под колоколом находится при одинаковом (атмосферном) давлении. Пробка удерживается в пробирке силой трения.

2. С помощью насоса из-под колокола начинают откачивать воздух. Давление под колоколом, то есть внешнее давление на пробку, уменьшается. Давление воздуха внутри пробирки остается прежним, значительно превышающим внешнее.

3. Из-за возникшей разности давлений на пробку начинает действовать выталкивающая сила со стороны газа, находящегося внутри пробирки. Величина этой силы равна $F = (P_{внутр} - P_{внешн}) \cdot S$, где $P_{внутр}$ — давление газа в пробирке, $P_{внешн}$ — давление воздуха под колоколом, $\text{S}$ — площадь поперечного сечения пробки.

4. Когда эта сила превышает максимальную силу трения покоя между пробкой и стенками пробирки, пробка вылетает. При этом газ в пробирке резко расширяется. Этот процесс происходит очень быстро, поэтому можно считать, что газ не успевает обменяться теплотой с окружающей средой. Такой процесс называется адиабатным.

5. Согласно первому закону термодинамики, количество теплоты $\text{Q}$, полученное системой, идет на изменение ее внутренней энергии $\Delta U$ и на совершение системой работы $\text{A}$ над внешними телами: $Q = \Delta U + A$.

6. Для адиабатного процесса $Q=0$, поэтому первый закон термодинамики принимает вид: $A = -\Delta U$. Это означает, что работа совершается газом исключительно за счет уменьшения его собственной внутренней энергии.

7. Работа $\text{A}$, совершаемая газом, идет на преодоление силы трения и на сообщение пробке кинетической энергии $E_k = \frac{mv^2}{2}$. Таким образом, внутренняя энергия газа превращается в кинетическую энергию пробки. Уменьшение внутренней энергии газа сопровождается понижением его температуры.

Ответ: При откачке воздуха из-под колокола создается разность давлений внутри и снаружи пробирки. Газ в пробирке, расширяясь, выталкивает пробку, совершая при этом механическую работу. Поскольку расширение происходит быстро (адиабатно), работа совершается за счет уменьшения внутренней энергии газа. Эта работа идет на сообщение пробке скорости, то есть внутренняя энергия газа преобразуется в кинетическую энергию пробки.