Номер 4, 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 4, страница 24.

Условие.

4. Изменение внутренней энергии системы произошло за счёт работы внешней силы (см. рис. 21). Увеличилась или уменьшилась внутренняя энергия системы? Ответ обоснуйте.

Рис. 21

Решение.

Решение

На рисунке 21 показан опыт, в котором внешняя сила совершает работу над газом, находящимся в цилиндре под поршнем. При резком опускании поршня (переход из состояния а в состояние б) объём газа уменьшается, то есть происходит его сжатие.

Изменение внутренней энергии термодинамической системы описывается первым законом термодинамики:

$\Delta U = Q + A'$

где $\Delta U$ – изменение внутренней энергии системы, $\text{Q}$ – количество теплоты, переданное системе, а $A'$ – работа, совершённая над системой внешними силами.

В данном опыте сжатие газа происходит очень быстро. Таким быстрым процессом, при котором система не успевает обменяться теплотой с окружающей средой, является адиабатический процесс. Следовательно, можно считать, что количество теплоты $\text{Q}$ равно нулю ($Q = 0$).

Внешняя сила, перемещая поршень вниз, совершает работу над газом. Так как происходит сжатие газа, работа внешних сил положительна ($A' > 0$).

Подставляя эти значения в формулу первого закона термодинамики, получаем:

$\Delta U = 0 + A' = A'$

Поскольку работа $A'$ положительна, то и изменение внутренней энергии $\Delta U$ также положительно ($\Delta U > 0$). Это означает, что внутренняя энергия системы (газа) увеличилась.

Увеличение внутренней энергии идеального газа напрямую связано с повышением его температуры. На рисунке б видно, что кусочек ваты, смоченный эфиром, воспламеняется. Это является экспериментальным подтверждением того, что температура газа значительно возросла в результате совершения над ним работы.

Ответ: Внутренняя энергия системы увеличилась. Обоснование: при резком сжатии газа внешняя сила совершает над ним положительную работу. Процесс можно считать адиабатическим (без теплообмена с окружающей средой). Согласно первому закону термодинамики, вся работа, совершённая над газом, переходит в его внутреннюю энергию, что приводит к её увеличению и, как следствие, к росту температуры.