Опыт 4, страница 17 - гдз по физике 8 класс учебник Кронгарт, Насохова

Опыт 4. "Воздушное огниво". Поместите на дно толстостенного стеклянного цилиндра ватку, смоченную эфиром (рис. 3.1). Резко опустите поршень. Можно увидеть, что воздух в цилиндре нагрелся настолько, что ватка воспламенилась.

Рис. 3.1

Объяснение опыта «Воздушное огниво»

Решение

Описанное в опыте явление — воспламенение ватки, смоченной эфиром, при резком сжатии воздуха в цилиндре — объясняется на основе первого закона термодинамики и адиабатного процесса.

Процесс, происходящий с газом (воздухом) в цилиндре, является адиабатным. Адиабатным называется процесс, при котором система не обменивается теплотой с окружающей средой. В данном опыте поршень опускается очень резко, поэтому воздух в цилиндре не успевает отдать тепло стенкам цилиндра. Таким образом, можно считать, что теплообмен с окружающей средой отсутствует, то есть количество теплоты $Q$, полученное или отданное газом, равно нулю ($Q = 0$).

Первый закон термодинамики гласит, что изменение внутренней энергии системы $ΔU$ равно сумме количества теплоты $Q$, переданного системе, и работы $A'$, совершенной внешними силами над системой:

$ΔU = Q + A'$

Поскольку в нашем случае процесс адиабатный ($Q = 0$), формула упрощается:

$ΔU = A'$

Это уравнение показывает, что при адиабатном процессе изменение внутренней энергии газа равно работе, которую совершают над ним внешние силы.

Когда мы резко опускаем поршень, мы совершаем работу по сжатию воздуха. Эта работа, совершаемая над газом, является положительной ($A' > 0$). Следовательно, внутренняя энергия воздуха в цилиндре увеличивается ($ΔU > 0$).

Внутренняя энергия идеального газа прямо пропорциональна его абсолютной температуре. Поэтому увеличение внутренней энергии приводит к значительному повышению температуры воздуха. Воздух в цилиндре нагревается до высокой температуры.

Ватка смочена эфиром не случайно. Эфир — это легковоспламеняющаяся жидкость с низкой температурой самовоспламенения (около 160–170 °C). Температура воздуха в результате адиабатного сжатия оказывается достаточной для того, чтобы достичь и превысить температуру самовоспламенения паров эфира, в результате чего ватка вспыхивает.

Таким образом, работа, совершаемая внешней силой (рукой, опускающей поршень) над газом, полностью переходит в его внутреннюю энергию, что вызывает резкое повышение его температуры и воспламенение ватки с эфиром.

Ответ: При резком сжатии поршнем воздух в цилиндре подвергается адиабатному сжатию. Работа, совершаемая внешними силами над газом, приводит к увеличению его внутренней энергии и, как следствие, к значительному повышению температуры. Температура сжатого воздуха достигает температуры самовоспламенения паров эфира, которым пропитана ватка, что и вызывает её воспламенение.