Вариант 4, страница 62 - гдз по физике 8 класс дидактические материалы Марон, Марон

Самостоятельные работы. СР-1. Внутренняя энергия - страница 62.

Условие.

Вариант 4

1. Объясните причину нагревания велосипедного насоса при накачивании шины.

2. Спичка загорается при трении её о коробок. Она вспыхивает и при внесении её в пламя свечи. В чём сходство и различие причин, приводящих к воспламенению спички в обоих случаях?

3. Чем объяснить, что при забивании гвоздя его шляпка почти не нагревается, но, когда гвоздь вбит, достаточно нескольких ударов, чтобы шляпка сильно нагрелась?

Решение.

1. Нагревание велосипедного насоса при накачивании шины происходит по двум основным причинам.

Во-первых, и это главная причина, при сжатии воздуха в насосе над ним совершается работа. Согласно первому закону термодинамики, изменение внутренней энергии газа $ΔU$ равно сумме количества теплоты $\text{Q}$, переданного газу, и работы $A'$, совершённой над ним: $ΔU = Q + A'$. Процесс накачивания происходит достаточно быстро, поэтому теплообмен с окружающей средой незначителен, и процесс можно считать близким к адиабатному ($Q \approx 0$). В этом случае вся работа, совершаемая поршнем над газом ($A' > 0$), идёт на увеличение его внутренней энергии: $ΔU \approx A'$. Увеличение внутренней энергии газа приводит к повышению его температуры. Нагретый воздух, в свою очередь, передает тепло стенкам насоса, нагревая их.

Во-вторых, дополнительный нагрев происходит из-за трения поршня о внутренние стенки цилиндра насоса. При этом часть механической работы превращается во внутреннюю энергию (теплоту), что также способствует нагреву корпуса насоса.

Ответ: Основная причина нагрева насоса — совершение работы над воздухом при его сжатии, что приводит к увеличению внутренней энергии и температуры воздуха. Дополнительной причиной является трение поршня о стенки насоса.

2. Для воспламенения спички необходимо нагреть её головку до определённой температуры — температуры воспламенения.

Сходство причин воспламенения в обоих случаях заключается в том, что для зажигания спички её внутренняя энергия должна быть увеличена до уровня, при котором её температура достигнет температуры воспламенения химического состава головки.

Различие заключается в способе увеличения внутренней энергии:

1. При трении спички о коробок увеличение внутренней энергии происходит за счёт совершения механической работы против силы трения. Механическая энергия движения руки преобразуется во внутреннюю энергию (теплоту) в месте контакта спичечной головки и поверхности коробка.

2. При внесении спички в пламя свечи увеличение её внутренней энергии происходит путём теплопередачи (конвекции и теплового излучения) от более нагретого тела (пламени) к менее нагретому (спичечной головке).

Ответ: Сходство в том, что в обоих случаях спичка воспламеняется из-за увеличения её внутренней энергии до достижения температуры воспламенения. Различие состоит в способе увеличения этой энергии: в первом случае — за счёт совершения работы силы трения, во втором — за счёт теплопередачи от пламени.

3. Это явление объясняется законом сохранения энергии и тем, на что расходуется энергия удара молотка в разных ситуациях.

Когда гвоздь забивают в дерево, кинетическая энергия молотка совершает работу по преодолению сил сопротивления материала (дерева). Энергия удара расходуется на разрушение и раздвигание волокон древесины, а также на преодоление силы трения между гвоздём и деревом. Гвоздь при этом движется, совершая работу. Лишь малая часть энергии удара превращается во внутреннюю энергию гвоздя, поэтому его шляпка практически не нагревается.

Когда гвоздь уже полностью вбит, он не может двигаться дальше. Теперь при ударе молотком по шляпке гвоздь почти не совершает работы по продвижению вглубь материала. Согласно закону сохранения энергии, вся кинетическая энергия молотка переходит в другие виды. В данном случае она практически полностью расходуется на деформацию шляпки гвоздя (в основном пластическую) и увеличение её внутренней энергии. Это приводит к быстрому и сильному нагреву шляпки.

Ответ: При забивании гвоздя энергия удара молотка расходуется на работу по преодолению сопротивления материала. Когда гвоздь уже забит, эта же энергия почти целиком идёт на деформацию шляпки гвоздя и увеличение её внутренней энергии, что и вызывает сильный нагрев.