Номер 173, страница 30 - гдз по физике 8 класс сборник вопросов и задач Марон, Марон

Тепловые явления. Закон сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах - номер 173, страница 30.

Условие.

173. Почему нагревается велосипедный насос при накачивании им воздуха в шину? Какие превращения и переходы энергии при этом происходят?

Решение.

Почему нагревается велосипедный насос при накачивании им воздуха в шину?

Велосипедный насос нагревается по двум основным причинам.

Первая и основная причина — это совершение работы над газом (воздухом). При резком нажатии на поршень насоса воздух внутри сжимается. Этот процесс происходит быстро, поэтому теплообмен с окружающей средой практически не успевает произойти (процесс, близкий к адиабатическому). Согласно первому закону термодинамики, изменение внутренней энергии газа ($ \Delta U $) равно сумме работы, совершенной над ним внешними силами ($ A_{ext} $), и количества полученной им теплоты ($ Q $): $ \Delta U = A_{ext} + Q $. Поскольку теплообмен незначителен ($ Q \approx 0 $), то практически вся работа, совершаемая по сжатию газа, идет на увеличение его внутренней энергии: $ \Delta U \approx A_{ext} $. Увеличение внутренней энергии газа означает повышение его температуры. Затем горячий воздух передает тепло стенкам насоса.

Вторая причина — это трение. При движении поршня внутри цилиндра возникает сила трения между манжетой поршня и стенками цилиндра. Работа против силы трения также приводит к выделению тепла и нагреву насоса.

Ответ: Насос нагревается в основном из-за увеличения внутренней энергии (и, следовательно, температуры) воздуха при его быстром сжатии, а также из-за трения поршня о стенки цилиндра.

Какие превращения и переходы энергии при этом происходят?

При накачивании шины насосом происходит следующая последовательность превращений энергии. Сначала химическая энергия, запасенная в мышцах человека, преобразуется в механическую энергию (работу) по перемещению поршня насоса. Далее совершаемая механическая работа преобразуется в основном во внутреннюю энергию воздуха, что и вызывает его нагрев. Также часть механической работы из-за трения переходит непосредственно в тепловую энергию, нагревая детали насоса. В конечном итоге, повышенная внутренняя энергия воздуха и тепло от трения передаются в виде тепла окружающей среде.

Ответ: Происходит следующая цепочка превращений энергии: химическая энергия → механическая энергия → внутренняя энергия газа + тепловая энергия (от трения).