Страница 13 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин, Иванов

1. Пользуясь рисунком 4, расскажите, как изменяется внутренняя энергия тела, когда над ним совершают работу.

1. Пользуясь рисунком 4, расскажите, как изменяется внутренняя энергия тела, когда над ним совершают работу.

Когда над телом совершают механическую работу, его внутренняя энергия, как правило, увеличивается. Внутренняя энергия тела — это сумма кинетической энергии хаотического теплового движения составляющих его частиц (атомов, молекул) и потенциальной энергии их взаимодействия.

Совершение работы над телом (например, при сжатии газа, трении или пластической деформации) приводит к увеличению скорости движения его частиц. Поскольку температура является мерой средней кинетической энергии этих частиц, то тело нагревается. Увеличение кинетической энергии частиц означает увеличение внутренней энергии всего тела.

Хотя рисунок 4 не предоставлен, можно рассмотреть типичный пример: резкое сжатие газа в сосуде с поршнем. Внешняя сила, действуя на поршень, совершает работу над газом. Молекулы газа, сталкиваясь с движущимся поршнем, увеличивают свою скорость, а значит, и свою кинетическую энергию. В результате внутренняя энергия газа и его температура возрастают. Согласно первому началу термодинамики, изменение внутренней энергии системы $\Delta U$ равно сумме количества теплоты $Q$, переданного системе, и работы $A'$, совершенной над системой внешними силами: $\Delta U = Q + A'$. Если процесс происходит адиабатически (без теплообмена с окружающей средой, $Q=0$), то вся совершенная работа идет на увеличение внутренней энергии: $\Delta U = A'$. Так как над телом совершают работу, $A' > 0$, следовательно, $\Delta U > 0$, что и означает рост внутренней энергии.

Ответ: При совершении работы над телом его внутренняя энергия увеличивается, что обычно сопровождается повышением его температуры.

2. Опишите опыт, по...

Предположительно, полный вопрос звучит так: «Опишите опыт, подтверждающий изменение внутренней энергии тела при совершении работы». Простой и наглядный опыт можно провести с обычным велосипедным насосом.

Для опыта понадобится насос. Необходимо плотно закрыть его выходное отверстие (например, пальцем) и начать быстро качать, перемещая поршень. Прикладывая усилие к ручке насоса, мы совершаем механическую работу по сжатию воздуха, находящегося внутри цилиндра. После нескольких (15-20) быстрых и резких качков можно заметить, что корпус насоса, особенно в нижней его части, ощутимо нагрелся. Нагревание свидетельствует о повышении температуры воздуха внутри насоса, а следовательно, и об увеличении его внутренней энергии. Таким образом, механическая работа, совершённая над газом, преобразовалась в его внутреннюю энергию.

Ответ: Опыт с быстрым сжатием воздуха в насосе, в результате которого корпус насоса нагревается, наглядно демонстрирует, что совершение механической работы над телом (в данном случае, над газом) приводит к увеличению его внутренней энергии.

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).

3. Приведите примеры изменения внутренней энергии тела путём теплопередачи.

3. Приведите примеры изменения внутренней энергии тела путём теплопередачи.

Изменение внутренней энергии тела путем теплопередачи — это процесс, при котором тело получает или отдает тепловую энергию без совершения механической работы. Этот процесс происходит естественным образом при контакте тел с разной температурой.

Примеры:

• Нагревание воды в кастрюле на плите. Плита передает тепло дну кастрюли, которое, в свою очередь, передает тепло воде. Внутренняя энергия молекул воды увеличивается, их движение становится более интенсивным, и температура воды растет.
• Остывание чашки с горячим кофе. Горячий кофе, имеющий высокую внутреннюю энергию, отдает тепло в окружающую среду (воздуху, столу, чашке), которая имеет более низкую температуру. Внутренняя энергия кофе уменьшается, и он остывает.
• Нагревание крыши дома солнечными лучами. Солнце излучает энергию, которая достигает Земли. Крыша поглощает эту энергию, ее внутренняя энергия увеличивается, и она нагревается.
• Таяние мороженого при комнатной температуре. Теплый воздух в комнате передает энергию мороженому. Внутренняя энергия мороженого увеличивается, что приводит к его таянию (переходу из твердого состояния в жидкое).

Ответ: Примерами изменения внутренней энергии путем теплопередачи являются: нагревание воды на плите, остывание горячего напитка, нагревание предметов солнечными лучами, таяние льда или мороженого в тепле.

4. Что такое теплопередача?

Теплопередача (или теплообмен) — это процесс передачи внутренней энергии от более нагретого тела к менее нагретому, который не связан с совершением механической работы. Движущей силой этого процесса является разность температур между телами. Теплопередача продолжается до тех пор, пока их температуры не выровняются и не наступит тепловое равновесие.

Внутренняя энергия тела может быть изменена двумя способами: совершением работы и теплопередачей. Это отражено в первом законе термодинамики: изменение внутренней энергии системы $ \Delta U $ равно сумме работы $ A $, совершенной над системой, и количества теплоты $ Q $, переданного ей:

$ \Delta U = A + Q $

Теплопередача — это как раз процесс, соответствующий слагаемому $ Q $ (количество теплоты) в этой формуле.

Ответ: Теплопередача — это процесс изменения внутренней энергии тела без совершения работы, обусловленный разностью температур.

5. Назо... (предположительно, "Назовите виды теплопередачи")

Исходя из контекста предыдущих вопросов, полный вопрос, скорее всего, звучит как: "Назовите виды теплопередачи". Существует три фундаментальных вида теплопередачи.

1. Теплопроводность. Это перенос энергии от одних частиц вещества к другим при их непосредственном контакте и взаимодействии. Энергия передается от более быстрых (горячих) молекул к более медленным (холодным). Теплопроводность характерна для всех состояний вещества (твердого, жидкого, газообразного), но наиболее эффективно проявляется в твердых телах, особенно в металлах. Пример: нагревание ручки металлической ложки, опущенной в горячий суп.

2. Конвекция. Этот вид теплопередачи происходит только в жидкостях и газах и заключается в переносе энергии потоками самого вещества. При нагревании нижние слои жидкости или газа расширяются, их плотность уменьшается, и они под действием силы Архимеда поднимаются вверх. На их место опускаются более холодные и плотные верхние слои. Возникают конвекционные потоки. Пример: обогрев комнаты от батареи, кипение воды.

3. Излучение (тепловое излучение). Это перенос энергии с помощью электромагнитных волн. Любое тело, температура которого выше абсолютного нуля, излучает энергию. Этот вид теплопередачи не требует наличия среды и может происходить в вакууме. Пример: тепло, которое мы ощущаем от Солнца, костра или раскаленной печи.

Ответ: Существует три вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение.

4. Что такое теплопередача?

Теплопередача, или теплообмен, — это физический процесс самопроизвольного переноса тепловой энергии от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой. Этот процесс является одним из способов изменения внутренней энергии системы без совершения механической работы. Теплопередача продолжается до тех пор, пока температуры тел не выровняются и не наступит термодинамическое равновесие.

Существует три фундаментальных механизма теплопередачи:

Теплопроводность

Это процесс переноса тепла внутри тела или от одного тела к другому при их непосредственном контакте. Передача энергии происходит за счёт взаимодействия микрочастиц вещества (атомов, молекул, электронов): более энергичные частицы передают часть своей энергии менее энергичным при столкновениях. При этом макроскопического переноса вещества не происходит. Теплопроводность характерна для всех агрегатных состояний вещества, но наиболее выражена в твёрдых телах, особенно в металлах.

Пример: нагревание ручки металлической ложки, опущенной в горячий суп.

Конвекция

Этот вид теплопередачи свойственен только жидкостям и газам. Перенос тепла осуществляется потоками (струями) самого вещества. При нагревании нижние слои жидкости или газа расширяются, их плотность уменьшается, и под действием силы Архимеда они поднимаются вверх. Их место занимают более холодные и плотные верхние слои, которые опускаются вниз. Этот процесс создания циркулирующих потоков называется конвекцией.

Пример: обогрев комнаты от радиатора отопления, кипение воды в кастрюле.

Излучение (тепловое излучение)

Это процесс переноса энергии в виде электромагнитных волн, которые испускают все нагретые тела. В отличие от теплопроводности и конвекции, для переноса энергии излучением не требуется наличие какой-либо среды, он может происходить и в вакууме. Интенсивность излучения зависит от температуры тела: чем выше температура, тем больше энергии оно излучает.

Пример: тепло, которое мы чувствуем от Солнца, огня в камине или от раскаленной электрической плиты.

Ответ: Теплопередача — это процесс переноса тепловой энергии от более нагретых областей или тел к менее нагретым, который может происходить тремя способами: теплопроводностью (через прямой контакт частиц), конвекцией (потоками жидкости или газа) и излучением (с помощью электромагнитных волн).

5. Назовите способы изменения внутренней энергии тела.

4. Что такое теплопередача?

Теплопередача (или теплообмен) — это физический процесс передачи внутренней энергии от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой без совершения механической работы. Этот процесс является одним из способов изменения внутренней энергии тела.

Существует три основных вида теплопередачи:

• Теплопроводность — это вид теплопередачи, при котором энергия переносится от более нагретых участков тела к менее нагретым за счёт непосредственного взаимодействия частиц (атомов, молекул, электронов). Теплопроводность особенно характерна для твёрдых тел. Например, если опустить металлический стержень одним концом в огонь, другой его конец со временем тоже нагреется.
• Конвекция — это перенос тепла потоками жидкости или газа. Нагретые слои вещества становятся менее плотными и поднимаются вверх, а более холодные и плотные слои опускаются вниз, создавая циркуляционные (конвекционные) потоки. Например, нагревание воды в чайнике или отопление комнаты от радиатора.
• Излучение (тепловое излучение) — это перенос энергии в виде электромагнитных волн (в основном, в инфракрасном диапазоне). В отличие от теплопроводности и конвекции, излучение может происходить в вакууме. Например, тепло от Солнца достигает Земли через безвоздушное пространство именно благодаря излучению.

Ответ: Теплопередача — это процесс изменения внутренней энергии тела без совершения работы, который может осуществляться тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением.

5. Назовите способы изменения внутренней энергии тела.

Внутренняя энергия тела — это сумма кинетической энергии хаотического движения всех его молекул и потенциальной энергии их взаимодействия. Согласно первому закону термодинамики, изменение внутренней энергии системы ($\Delta U$) равно сумме количества теплоты, переданной системе ($Q$), и работы, совершённой над системой внешними силами ($A'$). Формула выглядит так: $\Delta U = Q + A'$.

Из этого закона следует, что существует два способа изменения внутренней энергии тела:

• Совершение механической работы. Внутренняя энергия тела может изменяться в результате совершения работы. Если над телом совершается работа (например, при сжатии газа, трении), его внутренняя энергия увеличивается. Если же тело само совершает работу (например, газ расширяется и толкает поршень), его внутренняя энергия уменьшается.

  Примеры:

  • При трении ладоней друг о друга они нагреваются — работа сил трения переходит во внутреннюю энергию.
  • При накачивании шины насос нагревается, так как при сжатии воздуха над ним совершается работа.

• Теплопередача (теплообмен). Это процесс изменения внутренней энергии без совершения работы, который происходит при наличии разности температур. Если тело получает тепло извне, его внутренняя энергия растёт. Если тело отдаёт тепло, его внутренняя энергия убывает. Теплопередача происходит путём теплопроводности, конвекции и излучения.

  Примеры:

  • Горячий чай в чашке остывает, отдавая тепло окружающему воздуху.
  • Человек греется у костра, получая тепло за счет излучения.

Ответ: Существует два способа изменения внутренней энергии тела: совершение механической работы и теплопередача.

Чем объяснить, что при вколачивании гвоздя в стену его шляпка почти не нагревается, но, когда гвоздь вбит, достаточно нескольких ударов, чтобы шляпка сильно нагрелась?

Данное явление объясняется законом сохранения энергии и тем, как энергия удара молотка распределяется в двух разных ситуациях.

1. Процесс вколачивания гвоздя.

Когда молоток ударяет по шляпке гвоздя, который еще не полностью вошел в стену, кинетическая энергия молотка совершает механическую работу. Эта работа заключается в продвижении гвоздя вглубь материала стены, преодолевая силы сопротивления (трения и упругости). Работа $A$, совершаемая силой $F$ на перемещении $s$, определяется формулой:

$A = F \cdot s$

В этом случае перемещение гвоздя $s$ после каждого удара больше нуля. Таким образом, основная часть энергии удара преобразуется в механическую работу. На нагрев самой шляпки из-за неупругого удара расходуется лишь незначительная доля энергии.

2. Удары по уже вбитому гвоздю.

Когда гвоздь уже полностью вбит в стену, он больше не может двигаться вперед. Его перемещение при ударе практически равно нулю: $s \approx 0$. Соответственно, механическая работа по его продвижению также становится равной нулю: $A \approx 0$.

Согласно закону сохранения энергии, кинетическая энергия ударяющего молотка не исчезает бесследно. Поскольку она не может быть преобразована в механическую работу, почти вся энергия удара переходит во внутреннюю энергию шляпки гвоздя и самого молотка. Этот переход происходит из-за пластической (неупругой) деформации металла шляпки. Значительное и резкое увеличение внутренней энергии и воспринимается как сильный нагрев.

Ответ: При вколачивании гвоздя энергия удара молотка в основном расходуется на совершение механической работы по продвижению гвоздя в стену. Когда гвоздь уже вбит, он не может двигаться, и поэтому вся энергия удара преобразуется во внутреннюю энергию шляпки гвоздя из-за ее пластической деформации, что вызывает сильный нагрев.