Номер 2, страница 13 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин, Иванов

2. Опишите опыт, показывающий, что внутренняя энергия тела уменьшается при совершении работы.

1. Внутренняя энергия тела изменяется при совершении над ним или им самим механической работы. Согласно первому закону термодинамики, изменение внутренней энергии системы $ΔU$ равно сумме работы $A'$, совершенной над системой внешними силами, и количества теплоты $Q$, переданного системе: $ΔU = Q + A'$.

Когда над телом совершают работу, а теплообмен с окружающей средой отсутствует ($Q=0$), эта работа идет на увеличение его внутренней энергии. Например:

• При сжатии газа в сосуде под поршнем совершается работа над газом, что приводит к увеличению его внутренней энергии и, как следствие, к повышению температуры.
• Если быстро и многократно сгибать и разгибать металлический стержень, он нагреется. Механическая работа по деформации стержня переходит в его внутреннюю энергию.
• При трении двух тел друг о друга (например, при трении ладоней) совершается работа против сил трения, которая приводит к нагреванию тел, то есть к увеличению их внутренней энергии.

Во всех этих случаях механическая энергия внешних сил превращается во внутреннюю энергию тела (в кинетическую энергию хаотического движения его молекул и потенциальную энергию их взаимодействия), что и означает ее увеличение.

Ответ: Когда над телом совершают работу, его внутренняя энергия увеличивается.

2. Опыт, который наглядно демонстрирует уменьшение внутренней энергии тела при совершении им работы, — это быстрое расширение сжатого газа. В этом случае газ совершает работу против сил внешнего давления, и эта работа совершается за счет его собственной внутренней энергии.

Для проведения опыта можно взять баллончик со сжатым воздухом, углекислым газом (например, сифон для газирования воды) или любой аэрозольный баллон (дезодорант, освежитель воздуха).

Ход опыта:

1. До начала опыта потрогайте баллончик, чтобы оценить его начальную температуру. Она будет примерно равна температуре окружающей среды.
2. Направьте сопло баллончика в сторону и нажмите на клапан, выпуская струю газа в течение нескольких секунд.
3. Сразу после этого потрогайте корпус баллончика, особенно вблизи сопла. Вы почувствуете, что он стал значительно холоднее. Иногда на поверхности может даже образоваться иней.

Объяснение:

Газ внутри баллона находится под высоким давлением. При выходе из баллона он резко расширяется, отодвигая окружающий воздух. Таким образом, газ совершает работу ($A$) против сил атмосферного давления. Поскольку процесс происходит очень быстро, газ не успевает получить тепло из окружающей среды ($Q \approx 0$). Согласно первому закону термодинамики, изменение внутренней энергии $ΔU = Q - A$. Так как $Q \approx 0$ и $A > 0$, то $ΔU = -A$. Изменение внутренней энергии отрицательно, что означает ее уменьшение. Уменьшение внутренней энергии газа проявляется в его охлаждении.

Ответ: Опыт с резким расширением газа из аэрозольного баллончика показывает, что при совершении газом работы по выталкиванию окружающего воздуха его внутренняя энергия и температура уменьшаются, из-за чего баллончик охлаждается.

3. Внутреннюю энергию тела можно изменить двумя способами: совершением работы и теплопередачей. Ниже приведены примеры для каждого из способов.

Изменение внутренней энергии за счет совершения работы:

• Увеличение:
  • Нагревание насоса при накачивании велосипедной шины (работа по сжатию воздуха).
  • Нагревание гвоздя, если по нему ударять молотком (работа по деформации).
  • Затачивание ножа на точильном камне (работа сил трения).
• Уменьшение:
  • Охлаждение газового баллона при выпуске газа (газ совершает работу при расширении).
  • Работа двигателя внутреннего сгорания: расширяющиеся горячие газы толкают поршень, совершая работу и при этом охлаждаясь.

Изменение внутренней энергии за счет теплопередачи:

• Увеличение (нагревание):
  • Нагревание воды в чайнике на плите (теплопроводность от конфорки к дну чайника, конвекция в воде).
  • Человек греется у костра (излучение).
  • Металлическая ложка, опущенная в горячий чай, нагревается (теплопроводность).
• Уменьшение (охлаждение):
  • Остывание чашки с горячим кофе (теплоотдача в окружающую среду путем излучения и конвекции).
  • Таяние льда в стакане с водой (лед забирает теплоту у воды).
  • Охлаждение продуктов в холодильнике (тепло от продуктов передается хладагенту).

Ответ: Примеры изменения внутренней энергии: нагревание пилы при распиливании дров (совершение работы), охлаждение газировки при выходе газа из бутылки (совершение работы), нагревание супа на плите (теплопередача), остывание утюга после выключения (теплопередача).