Знакомство с техническими объектами, страница 32 - гдз по физике 8 класс учебник Хижнякова, Синявина

Глава 2. Внутренняя энергия. Первый закон термодинамики. Параграф 8. Расчёт количества теплоты. Удельная теплоёмкость. Вопросы - страница 32.

Условие.

Знакомство с техническими объектами

На рис. 33 изображён прибор, называемый калориметром. Он состоит из двух сосудов: внешнего и внутреннего. Внутренний сосуд помещают во внешний, устанавливая его на треугольном вкладыше. При сборке прибора между внутренним и внешним сосудами образуется воздушная прослойка.

а) Объясните действие калориметра.

б) Каким свойством обладает воздух, который предохраняет внутренний сосуд от нагревания или охлаждения?

В один калориметр налили горячую воду, а в другой такой же калориметр – подсолнечное масло той же температуры. Массы воды и масла равны. Через некоторый промежуток времени оказалось, что температура термодинамических систем неодинакова.

в) Какая из них будет обладать меньшей внутренней энергией?

Решение.

а) Объясните действие калориметра.

Калориметр — это прибор для измерения количества теплоты, выделяющейся или поглощающейся в ходе какого-либо физического, химического или биологического процесса. Его действие основано на принципе тепловой изоляции. Прибор состоит из двух сосудов, вставленных один в другой. Внутренний сосуд, в котором происходит изучаемый процесс, отделен от внешнего воздушной прослойкой и специальными подставками из материала с низкой теплопроводностью. Это минимизирует теплообмен с окружающей средой. Согласно закону сохранения энергии (уравнению теплового баланса), в изолированной системе количество теплоты, отданное одними телами, равно количеству теплоты, полученному другими. Измеряя изменение температуры тел внутри калориметра, можно рассчитать количество переданной теплоты.

Ответ: Действие калориметра основано на минимизации теплообмена между его внутренним сосудом и окружающей средой, что позволяет измерять количество теплоты, выделенное или поглощенное в ходе процессов внутри него, на основе закона сохранения энергии.

б) Каким свойством обладает воздух, который предохраняет внутренний сосуд от нагревания или охлаждения?

Воздух, находящийся в прослойке между внутренним и внешним сосудами калориметра, предохраняет внутренний сосуд от изменения температуры благодаря своей низкой теплопроводности. Газы в целом являются плохими проводниками тепла, так как их молекулы находятся на большом расстоянии друг от друга, что затрудняет передачу энергии через столкновения. Воздушная прослойка замедляет передачу тепла как путем теплопроводности, так и путем конвекции (если прослойка достаточно узкая, чтобы препятствовать активному движению воздуха).

Ответ: Воздух обладает свойством низкой теплопроводности.

в) Какая из них будет обладать меньшей внутренней энергией?

Дано:

$m_{воды} = m_{масла} = m$
$T_{воды, нач} = T_{масла, нач} = T_{нач}$
$c_{воды} \approx 4200 \frac{Дж}{кг \cdot °C}$ (удельная теплоемкость воды)
$c_{масла} \approx 1700 \frac{Дж}{кг \cdot °C}$ (удельная теплоемкость подсолнечного масла)

Найти:

Сравнить конечные внутренние энергии воды $U_{воды, кон}$ и масла $U_{масла, кон}$.

Решение:

Внутренняя энергия тела зависит от его массы, температуры и рода вещества (что отражается в удельной теплоемкости). При одинаковой массе и температуре, тело с большей удельной теплоемкостью обладает большей внутренней энергией. Удельная теплоемкость воды ($c_{воды}$) значительно больше удельной теплоемкости масла ($c_{масла}$).

$c_{воды} > c_{масла}$

Следовательно, при одинаковых начальных массах и температурах, начальная внутренняя энергия воды была больше начальной внутренней энергии масла:

$U_{воды, нач} > U_{масла, нач}$

Оба калориметра не являются идеальными теплоизоляторами и будут терять тепло в окружающую среду, остывая. Количество теплоты $\text{Q}$, которое теряет тело, связано с изменением его температуры $\Delta T$ формулой:

$Q = mc\Delta T$

Отсюда изменение температуры:

$\Delta T = \frac{Q}{mc}$

Так как калориметры одинаковые и начальные температуры жидкостей равны, можно предположить, что за одно и то же время они потеряют примерно одинаковое количество теплоты $\text{Q}$. Поскольку масса $\text{m}$ одинакова, а $c_{масла} < c_{воды}$, то изменение температуры у масла будет больше:

$\Delta T_{масла} > \Delta T_{воды}$

Это означает, что масло остынет сильнее, и его конечная температура будет ниже, чем конечная температура воды:

$T_{масла, кон} < T_{воды, кон}$

Теперь сравним конечные внутренние энергии. Так как внутренняя энергия пропорциональна произведению удельной теплоемкости и температуры (при равных массах), а у воды оба эти параметра (и $\text{c}$, и конечная $\text{T}$) больше, чем у масла, то и конечная внутренняя энергия воды будет больше.

$U_{воды, кон} > U_{масла, кон}$

Следовательно, меньшей внутренней энергией будет обладать подсолнечное масло.

Ответ: Меньшей внутренней энергией будет обладать подсолнечное масло.