Номер 1, страница 28 - гдз по физике 8 класс самостоятельные и контрольные работы Марон, Марон

Глава 1. Тепловые явления. Самостоятельные работы. СР-23. Работа газа и пара при расширении. Вариант 1 - номер 1, страница 28.

Условие.

1. Как изменяется внутренняя энергия газа или пара при расширении?

Решение.

1. Как изменяется внутренняя энергия газа или пара при расширении?

Изменение внутренней энергии газа или пара при расширении зависит от условий, в которых этот процесс происходит. Чтобы определить, как меняется внутренняя энергия, необходимо обратиться к первому закону термодинамики.

Внутренняя энергия идеального газа ($\text{U}$) — это сумма кинетических энергий хаотического движения его молекул. Она прямо пропорциональна его абсолютной температуре ($\text{T}$). Для реальных газов и паров внутренняя энергия также включает потенциальную энергию взаимодействия молекул.

Первый закон термодинамики гласит, что изменение внутренней энергии системы ($\Delta U$) равно разности между количеством теплоты ($\text{Q}$), переданной системе, и работой ($A'$), совершённой системой над внешними телами:

$\Delta U = Q - A'$

При расширении газ совершает положительную работу ($A' > 0$), так как его объём увеличивается. Дальнейшее изменение внутренней энергии ($\Delta U$) зависит от количества теплоты ($\text{Q}$), которое газ получает или отдаёт в процессе расширения. Рассмотрим основные случаи:

Адиабатное расширение

Этот процесс происходит без теплообмена с окружающей средой, то есть $Q = 0$. В этом случае первый закон термодинамики принимает вид:

$\Delta U = -A'$

Поскольку при расширении газ совершает работу ($A' > 0$), его внутренняя энергия уменьшается ($\Delta U < 0$). Уменьшение внутренней энергии сопровождается понижением температуры газа. Примером может служить охлаждение воздуха при выходе из баллона под высоким давлением.

Изотермическое расширение

Этот процесс протекает при постоянной температуре ($T = \text{const}$). Для идеального газа, внутренняя энергия которого зависит только от температуры, изменение внутренней энергии равно нулю:

$\Delta U = 0$

Из первого закона термодинамики следует, что $0 = Q - A'$, или $Q = A'$. Это означает, что вся работа, совершаемая газом при расширении, происходит за счёт получения эквивалентного количества теплоты извне. Внутренняя энергия не изменяется.

Изобарное расширение

Процесс происходит при постоянном давлении ($P = \text{const}$). Для того чтобы газ расширялся при постоянном давлении, к нему необходимо подводить теплоту ($Q > 0$). Согласно уравнению состояния идеального газа ($PV = \nu RT$), при увеличении объёма ($\text{V}$) и постоянном давлении ($\text{P}$) температура ($\text{T}$) также должна увеличиваться. Так как температура растёт, внутренняя энергия газа увеличивается ($\Delta U > 0$). Подводимая теплота расходуется и на совершение работы, и на увеличение внутренней энергии.

Таким образом, в зависимости от условий процесса расширения, внутренняя энергия газа или пара может уменьшаться, оставаться неизменной или увеличиваться.

Ответ: При расширении газа или пара его внутренняя энергия может:
1. Уменьшаться, если расширение происходит без притока тепла извне (адиабатное расширение), так как газ совершает работу за счёт своей внутренней энергии.
2. Оставаться неизменной, если расширение происходит при постоянной температуре (изотермическое расширение идеального газа), и убыль энергии за счёт совершения работы компенсируется притоком тепла.
3. Увеличиваться, если при расширении газу сообщается количество теплоты, превышающее совершаемую им работу (например, при изобарном расширении).