Номер 15, страница 6 - гдз по физике 8 класс дидактические материалы Марон, Марон

Тренировочные задания. Тепловые явления. ТЗ-2. Температура. Внутренняя энергия - номер 15, страница 6.

Условие.

15. Объясните, почему происходит изменение внутренней энергии:

а) при нагревании воды в кастрюле;

б) при сжатии и расширении воздуха;

в) при таянии льда;

г) при сжатии и растяжении резины.

Решение.

а) при нагревании воды в кастрюле

Изменение внутренней энергии воды при нагревании в кастрюле происходит за счет процесса теплопередачи. Нагревательный элемент (например, конфорка плиты) передает тепловую энергию кастрюле, а та, в свою очередь, передает ее воде. Молекулы воды, получая эту энергию, начинают двигаться быстрее, то есть увеличивается их средняя кинетическая энергия. Внутренняя энергия тела по определению является суммой кинетических энергий хаотического движения всех его частиц (молекул, атомов) и потенциальных энергий их взаимодействия друг с другом. Таким образом, увеличение кинетической энергии молекул напрямую ведет к увеличению внутренней энергии воды, что мы наблюдаем как повышение ее температуры. Изменение внутренней энергии ($\Delta U$) здесь происходит за счет получения количества теплоты ($\text{Q}$): $\Delta U = Q$.

Ответ: Изменение внутренней энергии происходит за счет теплопередачи, в результате которой увеличивается кинетическая энергия движения молекул воды.

б) при сжатии и расширении воздуха

Изменение внутренней энергии воздуха при сжатии и расширении происходит главным образом за счет совершения механической работы.

При сжатии: внешние силы совершают над газом положительную работу ($A > 0$). Например, при работе насоса поршень сжимает воздух. Эта работа преобразуется во внутреннюю энергию газа: молекулы начинают двигаться с большими скоростями, их кинетическая энергия растет. Это приводит к повышению температуры и росту внутренней энергии воздуха. В соответствии с первым началом термодинамики, $\Delta U = A + Q$. Если сжатие происходит быстро (адиабатно), то теплообмен с окружающей средой незначителен ($Q \approx 0$), и изменение внутренней энергии практически равно совершенной работе: $\Delta U \approx A$.

При расширении: газ сам совершает работу ($A'$) против внешних сил (например, выталкивая поршень). Эту работу газ совершает за счет своей внутренней энергии. Молекулы газа, теряя энергию на совершение работы, замедляют свое движение. В результате их кинетическая энергия уменьшается, что приводит к понижению температуры и уменьшению внутренней энергии. При адиабатном расширении $\Delta U = -A'$.

Ответ: Изменение внутренней энергии происходит за счет совершения работы над газом (при сжатии) или самим газом (при расширении).

в) при таянии льда

Изменение внутренней энергии при таянии льда связано с фазовым переходом из твердого состояния в жидкое. Этот процесс происходит при постоянной температуре (0°C при нормальном давлении). Во время таяния лед поглощает тепло из окружающей среды. Эта подводимая энергия ($\text{Q}$) не идет на увеличение кинетической энергии молекул (поскольку температура не меняется), а расходуется на разрушение кристаллической решетки льда. В результате увеличивается потенциальная энергия взаимодействия молекул воды, так как они переходят из упорядоченного связанного состояния в твердом теле в более свободное и подвижное состояние в жидкости. Поскольку внутренняя энергия — это сумма кинетической и потенциальной энергии молекул, увеличение потенциальной энергии приводит к увеличению общей внутренней энергии системы.

Ответ: Изменение внутренней энергии происходит за счет поглощения тепла, которое идет на увеличение потенциальной энергии взаимодействия молекул при разрушении кристаллической решетки.

г) при сжатии и растяжении резины

Изменение внутренней энергии резины при сжатии и растяжении происходит в результате совершения над ней механической работы.

При растяжении: внешняя сила совершает работу, деформируя резину. Эта работа идет на изменение внутренней структуры материала. Длинные полимерные молекулы, из которых состоит резина, в обычном состоянии спутаны и свернуты. При растяжении они частично выпрямляются и упорядочиваются. Это приводит к изменению потенциальной энергии их взаимодействия. Часть совершенной работы также переходит в кинетическую энергию колебательного движения атомов в молекулярных цепях, что проявляется в небольшом нагреве резины. Таким образом, внутренняя энергия резины увеличивается за счет совершенной работы.

При сжатии: аналогично, внешние силы совершают работу, изменяя форму тела. Эта работа также приводит к изменению взаимного расположения молекул и интенсификации их теплового движения, что ведет к росту внутренней энергии.

Ответ: Изменение внутренней энергии происходит за счет совершения работы внешними силами, которая изменяет потенциальную энергию взаимодействия и кинетическую энергию теплового движения молекул резины.