Номер 27, 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 27, страница 6.

Условие.

27. Объясните причину изменения внутренней энергии:

а) при нагревании воды в кастрюле;

б) при сжатии и расширении воздуха;

в) при таянии льда;

г) при сжатии и растяжении резины;

д) при откачивании воздуха из баллона.

Решение.

Внутренняя энергия тела или системы ($\text{U}$) складывается из кинетической энергии хаотического (теплового) движения его частиц (молекул, атомов) и потенциальной энергии их взаимодействия друг с другом. Существует два способа изменения внутренней энергии: совершение механической работы ($A'$) над системой или теплопередача ($\text{Q}$). Согласно первому закону термодинамики, изменение внутренней энергии $\Delta U$ равно сумме работы, совершённой над системой, и количества теплоты, переданного системе: $\Delta U = Q + A'$.

а) при нагревании воды в кастрюле

При нагревании воды от внешнего источника (например, конфорки плиты) происходит процесс теплопередачи. Вода получает определённое количество теплоты, что приводит к увеличению средней скорости движения её молекул. Поскольку кинетическая энергия молекул является составной частью внутренней энергии, внутренняя энергия воды увеличивается.

Ответ: Внутренняя энергия воды увеличивается за счёт получения ею количества теплоты от нагревателя (теплопередача).

б) при сжатии и расширении воздуха

При сжатии воздуха внешние силы совершают над ним положительную механическую работу. Эта работа преобразуется во внутреннюю энергию воздуха: молекулы начинают двигаться быстрее, сталкиваются чаще, и в результате температура и внутренняя энергия газа растут. При расширении, наоборот, газ сам совершает работу над окружающими телами (например, толкая поршень). Эта работа совершается за счёт его собственной внутренней энергии. В результате скорость движения молекул уменьшается, и газ охлаждается, а его внутренняя энергия уменьшается.

Ответ: При сжатии внутренняя энергия увеличивается из-за совершения над воздухом работы, а при расширении — уменьшается, так как воздух совершает работу сам.

в) при таянии льда

Таяние льда — это процесс фазового перехода из твёрдого состояния в жидкое, который при нормальном давлении происходит при постоянной температуре 0°C. Для разрушения кристаллической структуры льда требуется энергия, которая подводится к нему извне в виде тепла (теплота плавления). Эта энергия идёт не на увеличение кинетической энергии молекул (температура остаётся постоянной), а на увеличение их потенциальной энергии взаимодействия, так как связи в кристаллической решётке разрываются. Следовательно, внутренняя энергия увеличивается.

Ответ: Внутренняя энергия увеличивается за счёт поглощения тепла, которое расходуется на разрушение кристаллической решётки и увеличение потенциальной энергии молекул.

г) при сжатии и растяжении резины

При растяжении резины внешняя сила совершает над ней работу. Эта работа приводит к изменению взаимного расположения длинных полимерных молекул, из которых состоит резина, и к увеличению её внутренней энергии. Макроскопически это проявляется в нагревании резины. При обратном процессе — свободном сокращении растянутой резины — резина сама совершает работу, и её внутренняя энергия уменьшается, что приводит к её охлаждению.

Ответ: При растяжении внутренняя энергия увеличивается в результате совершения над резиной работы, а при сокращении — уменьшается, так как резина совершает работу.

д) при откачивании воздуха из баллона

Рассмотрим воздух, остающийся в баллоне. По мере откачивания части воздуха, оставшийся газ расширяется, занимая весь доступный объём. При этом расширении газ совершает работу (против сил притяжения между молекулами и выталкивая уходящий газ). Если процесс происходит быстро (адиабатически), то есть без существенного теплообмена с окружающей средой, то эта работа совершается за счёт собственной внутренней энергии газа. Уменьшение внутренней энергии приводит к уменьшению кинетической энергии молекул, то есть к охлаждению воздуха в баллоне.

Ответ: Внутренняя энергия оставшегося в баллоне воздуха уменьшается, так как он совершает работу при расширении.