Экспериментальные задания, страница 18 - гдз по физике 8 класс учебник Кронгарт, Насохова

В литровую пластиковую банку с закручивающейся крышкой налейте воды примерно до половины. Измерьте температуру. Плотно закройте ее крышкой, обверните полотенцем. Энергично встряхивайте в течение 15 минут. Откройте крышку и быстро измерьте температуру. Как изменилась температура? Объясните полученные выводы.

Как изменилась температура?

После энергичного встряхивания в течение 15 минут температура воды в банке незначительно повысится.

Объясните полученные выводы.

Повышение температуры воды объясняется законами термодинамики, в частности, первым законом термодинамики, который описывает сохранение энергии. Происходящий процесс можно объяснить следующим образом:

1. Совершение механической работы. Встряхивая банку, человек совершает механическую работу над находящейся в ней водой. Эта работа передает воде кинетическую энергию, заставляя ее интенсивно двигаться и перемешиваться внутри банки.

2. Преобразование работы во внутреннюю энергию. Внутри жидкости существует внутреннее трение, или вязкость. Из-за вязкости кинетическая энергия упорядоченного макроскопического движения потоков воды (созданных при встряхивании) переходит в энергию хаотичного микроскопического движения составляющих воду молекул. Этот процесс называется диссипацией энергии.

3. Изменение внутренней энергии и температуры. Внутренняя энергия ($U$) — это, в основном, сумма кинетических энергий хаотического движения молекул и потенциальной энергии их взаимодействия. Увеличение скорости хаотичного движения молекул напрямую ведет к увеличению внутренней энергии системы ($ \Delta U > 0 $). Для жидкости, как и для большинства тел, увеличение внутренней энергии проявляется в виде повышения ее температуры ($ \Delta T > 0 $).

4. Применение первого закона термодинамики. Первый закон термодинамики гласит: $ \Delta U = Q + A $, где $ \Delta U $ – изменение внутренней энергии, $Q$ – количество теплоты, полученное системой извне, а $A$ – работа, совершенная над системой внешними силами. В данном эксперименте банка обернута полотенцем для теплоизоляции, поэтому теплообмен с окружающей средой ($Q$) минимален и им можно пренебречь ($Q \approx 0$). Работа ($A$) совершается над водой, поэтому она положительна ($A > 0$). Следовательно, изменение внутренней энергии примерно равно совершенной работе: $ \Delta U \approx A $. Так как $A > 0$, то и $ \Delta U > 0 $, что и вызывает нагрев воды.

Таким образом, механическая энергия, сообщаемая воде при встряхивании, не исчезает, а преобразуется во внутреннюю энергию, что и регистрируется термометром как повышение температуры.

Ответ: Температура воды повысится. Это происходит потому, что механическая работа, совершаемая при встряхивании, за счет сил внутреннего трения (вязкости) преобразуется во внутреннюю энергию воды, что приводит к ее нагреву.