Номер 25, страница 6 - гдз по физике 8 класс сборник вопросов и задач Марон, Марон

Тепловые явления. Тепловое движение. Температура. Внутренняя энергия и способы её изменения - номер 25, страница 6.

Условие.

25. a) Вода и водяной пар, имея равную температуру, например $100 ^{\circ}\mathrm{C}$, различаются расположением молекул. Одинакова ли внутренняя энергия пара и воды? Почему?

б) Холодная и горячая вода состоит из одинаковых молекул. Одинакова ли внутренняя энергия одной и той же массы воды в этих состояниях? Почему?

Решение.

а) Внутренняя энергия тела $\text{U}$ складывается из кинетической энергии $E_k$ хаотического движения его молекул и потенциальной энергии $E_p$ их взаимодействия: $U = E_k + E_p$.

Температура является мерой средней кинетической энергии молекул. Поскольку по условию температура воды и водяного пара одинакова ($100 \text{ °C}$), то средние кинетические энергии их молекул также одинаковы.

Однако вода и пар находятся в разных агрегатных состояниях: вода — жидкость, а пар — газ. В газообразном состоянии (пар) среднее расстояние между молекулами значительно больше, чем в жидком (вода). Потенциальная энергия взаимодействия молекул зависит от расстояния между ними. Для того чтобы превратить воду в пар при той же температуре, необходимо затратить энергию (теплоту парообразования), которая идет на преодоление сил межмолекулярного притяжения и, следовательно, на увеличение потенциальной энергии молекул.

Таким образом, при одинаковой кинетической энергии, потенциальная энергия молекул водяного пара больше, чем у молекул воды. Следовательно, внутренняя энергия пара больше внутренней энергии воды той же массы и при той же температуре.

Ответ: Нет, внутренняя энергия пара и воды не одинакова. Внутренняя энергия водяного пара больше, так как при одинаковой кинетической энергии (из-за равенства температур) потенциальная энергия взаимодействия молекул в паре выше из-за большего расстояния между ними.

б) Внутренняя энергия, как было сказано ранее, это сумма кинетической и потенциальной энергий молекул вещества ($U = E_k + E_p$).

Горячая и холодная вода — это одно и то же вещество (вода) в одном и том же агрегатном состоянии (жидкость), но при разных температурах. Температура горячей воды $T_{горячая}$ выше температуры холодной воды $T_{холодная}$.

Поскольку температура — это мера средней кинетической энергии молекул, то средняя кинетическая энергия молекул в горячей воде больше, чем в холодной. Это означает, что молекулы в горячей воде движутся в среднем с большей скоростью.

Изменение потенциальной энергии молекул при нагревании воды без изменения агрегатного состояния незначительно по сравнению с изменением их кинетической энергии. Поэтому основным фактором, определяющим разницу во внутренней энергии, является различие в кинетической энергии.

Так как кинетическая энергия молекул горячей воды больше, то и её общая внутренняя энергия будет больше, чем у холодной воды той же массы.

Ответ: Нет, внутренняя энергия одной и той же массы холодной и горячей воды не одинакова. Внутренняя энергия горячей воды больше, потому что её температура выше, а значит, выше и средняя кинетическая энергия движения её молекул.