Номер 1, страница 44 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин, Иванов

УПРАЖНЕНИЕ 11

1. Сравните внутреннюю энергию одинаковой массы пара, воды и льда, находящихся при одной и той же температуре (например, при $0^{\circ}\text{C}$).

1. Внутренняя энергия тела ($U$) складывается из двух основных компонентов: кинетической энергии хаотического (теплового) движения его частиц (молекул, атомов) и потенциальной энергии их взаимодействия друг с другом. Математически это можно выразить как $U = E_k + E_p$.

Температура является мерой средней кинетической энергии частиц вещества. Поскольку по условию задачи лед, вода и пар имеют одинаковую температуру (0 °C), то средняя кинетическая энергия их молекул одинакова. Для тел одинаковой массы это означает, что и суммарная кинетическая энергия ($E_k$) их молекул будет практически одинаковой.

Следовательно, различие во внутренней энергии этих трех состояний вещества будет определяться в основном потенциальной энергией взаимодействия молекул ($E_p$). Эта энергия зависит от расстояния между молекулами и сил их притяжения, то есть от агрегатного состояния.

• Лед (твердое состояние): Молекулы воды находятся в строго упорядоченной структуре — кристаллической решетке. Расстояния между ними малы, а силы притяжения велики. Потенциальная энергия взаимодействия молекул в этом состоянии является наименьшей.

• Вода (жидкое состояние): Чтобы расплавить лед и превратить его в воду при той же температуре 0 °C, необходимо подвести к нему определенное количество теплоты (теплоту плавления). Эта энергия ($Q = \lambda \cdot m$) не увеличивает кинетическую энергию молекул (температура не меняется), а полностью идет на разрушение кристаллической решетки. В результате среднее расстояние между молекулами увеличивается, и их потенциальная энергия возрастает. Таким образом, внутренняя энергия воды при 0 °C больше внутренней энергии льда той же массы.

• Пар (газообразное состояние): Чтобы превратить воду в пар при той же температуре, необходимо подвести к ней еще большее количество теплоты (теплоту парообразования). Эта энергия ($Q = L \cdot m$) идет на преодоление сил межмолекулярного притяжения в жидкости и разнесение молекул на значительно большие расстояния друг от друга. Потенциальная энергия взаимодействия молекул в газе, где они почти не связаны друг с другом, максимальна. Поэтому внутренняя энергия пара при 0 °C (которая может существовать при низком давлении) значительно больше внутренней энергии воды той же массы.

Таким образом, сравнивая внутренние энергии одинаковой массы вещества при одной и той же температуре, получаем следующую зависимость: внутренняя энергия пара наибольшая, внутренняя энергия воды — промежуточная, а внутренняя энергия льда — наименьшая.

Ответ: Внутренняя энергия пара больше внутренней энергии воды, а внутренняя энергия воды больше внутренней энергии льда при одинаковой массе и температуре: $U_{\text{пара}} > U_{\text{воды}} > U_{\text{льда}}$.