Страница 14 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин, Иванов

УПРАЖНЕНИЕ 3

1. Каким способом — совершением работы или теплопередачей — изменялась внутренняя энергия детали:

а) при сверлении в ней отверстия;

б) при нагревании её в печи перед закалкой;

в) при быстром охлаждении детали в воде?

Внутренняя энергия тела может быть изменена двумя основными способами: путём совершения механической работы и путём теплопередачи. Согласно первому началу термодинамики, изменение внутренней энергии $\Delta U$ системы равно сумме работы $A'$, совершенной над системой, и количества теплоты $Q$, переданного системе: $\Delta U = A' + Q$.

а) при сверлении в ней отверстия;

Во время сверления сверло совершает механическую работу, преодолевая силы трения между ним и деталью. Эта работа преобразуется во внутреннюю энергию, что проявляется в нагреве и сверла, и детали. Таким образом, внутренняя энергия детали увеличивается в результате совершения работы.

Ответ: совершением работы.

б) при нагревании её в печи перед закалкой;

Когда деталь помещают в горячую печь, её температура ниже, чем температура окружающей среды в печи. Из-за этой разницы температур происходит передача тепла от более горячих стенок печи и воздуха к более холодной детали. Это процесс теплопередачи (или теплообмена). В результате внутренняя энергия детали возрастает. Механическая работа в этом случае не совершается.

Ответ: теплопередачей.

в) при быстром охлаждении детали в воде?

При погружении горячей детали в холодную воду происходит интенсивный теплообмен. Деталь, имеющая высокую температуру, отдает тепло воде, которая имеет более низкую температуру. Этот процесс является теплопередачей. В результате внутренняя энергия детали уменьшается, а внутренняя энергия воды увеличивается.

Ответ: теплопередачей.

2. В кузнице с помощью молота (холодная ковка) получают нужную форму детали. Как вы думаете, нагревается ли деталь после ударов молота?

2. Решение

Да, деталь, обрабатываемая методом холодной ковки, будет нагреваться после ударов молота. Это явление объясняется законом сохранения энергии.

Когда молот замахивается и ударяет по детали, он обладает значительной механической (кинетической) энергией. При ударе эта энергия расходуется на совершение работы по пластической деформации металла — изменению его формы и кристаллической структуры. Этот процесс не является абсолютно эффективным с точки зрения изменения формы. Большая часть механической энергии молота преобразуется во внутреннюю энергию детали.

Увеличение внутренней энергии вещества проявляется в виде повышения его температуры. Это происходит потому, что атомы в кристаллической решетке металла начинают колебаться с большей амплитудой и частотой. Таким образом, механическая работа удара переходит в теплоту. Небольшая часть энергии также рассеивается в виде звуковых волн (звук удара) и вибраций, но основной вклад идет именно в нагрев детали и, в меньшей степени, самого молота.

Этот эффект можно наблюдать и в быту: если быстро и многократно сгибать и разгибать кусок проволоки, место сгиба заметно нагреется по той же причине — работа по деформации переходит в тепло.

Ответ: Да, деталь нагревается. Это происходит из-за того, что механическая энергия удара молота преобразуется во внутреннюю (тепловую) энергию детали в процессе ее пластической деформации.

3. Кусок свинца можно нагреть разными способами: ударяя по нему несколько раз молотком, помещая в пламя горелки, сгибая и разгибая несколько раз, помещая в горячую воду. Можно ли утверждать, что во всех случаях внутренняя энергия куска свинца изменилась?

Да, можно утверждать, что во всех случаях внутренняя энергия куска свинца изменилась. Рассмотрим почему.

Внутренняя энергия тела складывается из кинетической энергии хаотического движения его частиц (атомов, молекул) и потенциальной энергии их взаимодействия. Изменить внутреннюю энергию можно двумя способами: совершением работы над телом (или самим телом) и теплопередачей.

Проанализируем все перечисленные в задаче способы:

1. Ударяя по нему несколько раз молотком: В этом случае над куском свинца совершается механическая работа. Кинетическая энергия молотка при ударе переходит во внутреннюю энергию свинца, вызывая его деформацию и нагрев. Атомы в кристаллической решетке свинца начинают колебаться интенсивнее, что означает увеличение их кинетической энергии, а следовательно, и всей внутренней энергии куска.

2. Помещая в пламя горелки: Здесь происходит изменение внутренней энергии путем теплопередачи (теплопроводность, конвекция и излучение). Пламя имеет гораздо более высокую температуру, чем свинец, и передает ему энергию. Эта полученная энергия (количество теплоты $Q$) идет на увеличение внутренней энергии свинца.

3. Сгибая и разгибая несколько раз: Этот процесс также является совершением механической работы над телом. При многократной деформации возникает внутреннее трение между слоями металла, которое приводит к преобразованию механической энергии в тепловую, то есть во внутреннюю энергию. Свинец нагревается.

4. Помещая в горячую воду: Аналогично помещению в пламя, это способ изменения внутренней энергии через теплопередачу. Горячая вода передает часть своей внутренней энергии более холодному куску свинца до тех пор, пока их температуры не выровняются. Внутренняя энергия свинца при этом увеличивается.

Во всех четырех случаях происходит нагревание свинца, то есть повышение его температуры. Для тела в одном и том же агрегатном состоянии (в данном случае свинец остается твердым) увеличение температуры напрямую свидетельствует об увеличении его внутренней энергии. Изменение внутренней энергии $\Delta U$ при изменении температуры $\Delta T$ можно выразить формулой $\Delta U = c \cdot m \cdot \Delta T$ (при отсутствии фазовых переходов и совершения работы газом), где $c$ - удельная теплоемкость, $m$ - масса. Так как во всех случаях свинец нагревается, его температура растет ($\Delta T > 0$), а значит, его внутренняя энергия тоже увеличивается ($\Delta U > 0$).

Ответ: Да, можно утверждать, что во всех случаях внутренняя энергия куска свинца изменилась (а именно, увеличилась). Все перечисленные способы — это либо совершение работы над свинцом, либо теплопередача ему от более нагретых тел, что согласно первому началу термодинамики приводит к увеличению его внутренней энергии.

4. Что происходит со спичкой при трении её о коробок? Меняется ли при этом её внутренняя энергия? Ответ обоснуйте.

Решение

При трении спички о специальную поверхность коробка (тёрку) совершается механическая работа против силы трения. Согласно закону сохранения энергии, механическая энергия, затраченная на преодоление трения, не исчезает, а преобразуется в другие виды энергии. В данном случае она переходит преимущественно во внутреннюю энергию головки спички и тёрки коробка.

Внутренняя энергия тела – это сумма кинетической энергии хаотического (теплового) движения всех его молекул и потенциальной энергии их взаимодействия. Увеличение внутренней энергии приводит к повышению температуры. Когда температура головки спички достигает определённого значения (температуры воспламенения), химические вещества в её составе (например, бертолетова соль и сера) вступают в реакцию горения, и спичка зажигается.

Таким образом, внутренняя энергия спички изменяется – она увеличивается. Это происходит за счёт совершения механической работы. Изменение внутренней энергии ($\Delta U$) в общем случае описывается первым началом термодинамики: $\Delta U = Q + A'$, где $Q$ — количество теплоты, переданное телу, а $A'$ — работа, совершённая над телом. В нашем случае работа силы трения, совершаемая над спичкой, положительна ($A' > 0$), что и приводит к росту её внутренней энергии $\Delta U$.

Ответ: При трении о коробок спичка нагревается и воспламеняется. Её внутренняя энергия увеличивается. Это происходит потому, что механическая работа, совершаемая против силы трения, преобразуется во внутреннюю энергию, что приводит к повышению температуры головки спички до температуры воспламенения.