Страница 239 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин, Иванов

1. На каком явлении основан принцип действия жидкостного термометра?

1) изменение давления паров жидкости при изменении температуры

2) изменение объёма жидкости при изменении температуры

3) изменение скорости диффузии в жидкостях при изменении температуры

4) изменение скорости испарения жидкости при изменении температуры

1. Принцип действия жидкостного термометра основан на явлении теплового расширения тел. Практически все вещества (за редким исключением, например, воды в диапазоне от 0 до 4 °C) при нагревании расширяются, а при охлаждении сжимаются. В жидкостном термометре используется именно это свойство рабочей жидкости (например, подкрашенного спирта или ртути).

Конструкция термометра состоит из резервуара с жидкостью и припаянной к нему узкой стеклянной трубки — капилляра. Когда температура окружающей среды повышается, жидкость в резервуаре нагревается, и её объём увеличивается. Так как основной объем жидкости находится в резервуаре, а расширяться ей некуда, кроме как в узкий капилляр, даже небольшое изменение объема приводит к заметному подъему столбика жидкости в трубке. При понижении температуры происходит обратный процесс: объём жидкости уменьшается, и её уровень в капилляре падает.

Это явление количественно описывается формулой теплового расширения: $\Delta V = \beta \cdot V_0 \cdot \Delta T$, где $\Delta V$ — изменение объема жидкости, $V_0$ — её начальный объем, $\Delta T$ — изменение температуры, а $\beta$ — коэффициент объемного теплового расширения.

Другие предложенные явления не являются основополагающими для работы жидкостного термометра. Изменение давления паров жидкости используется в манометрических (конденсационных) термометрах. Изменение скорости диффузии и скорости испарения хоть и зависит от температуры, но не лежит в основе принципа действия данного прибора. Более того, испарение в запаянном термометре нежелательно и сведено к минимуму.

Следовательно, правильный ответ — изменение объёма жидкости при изменении температуры.

Ответ: 2) изменение объёма жидкости при изменении температуры.

2. Что характеризует температура?

1) скорость движения одной молекулы

2) скорость движения множества молекул

3) взаимодействие молекул

4) среднюю кинетическую энергию молекул

Решение:

Температура в физике, с точки зрения молекулярно-кинетической теории, является мерой интенсивности теплового движения частиц, из которых состоит тело. Она не характеризует свойства отдельной молекулы, а является статистической, усредненной характеристикой всей совокупности частиц.

Связь между абсолютной температурой $T$ и средней кинетической энергией $\bar{E}_k$ хаотического поступательного движения молекул выражается фундаментальной формулой:

$ \bar{E}_k = \frac{3}{2} kT $

где $k$ — постоянная Больцмана ($k \approx 1.38 \cdot 10^{-23}$ Дж/К).

Эта формула показывает прямую пропорциональность между температурой и средней кинетической энергией молекул. Таким образом, температура — это физическая величина, характеризующая среднюю кинетическую энергию частиц макроскопической системы, находящейся в состоянии термодинамического равновесия.

Проанализируем предложенные варианты:

1) скорость движения одной молекулы — этот вариант неверен. Молекулы вещества находятся в непрерывном хаотическом движении и постоянно сталкиваются друг с другом, изменяя свою скорость. Скорость отдельной молекулы в любой момент времени случайна. Температура же — это усредненная характеристика для огромного числа молекул.

2) скорость движения множества молекул — этот вариант является неполным и неточным. Хотя средняя квадратичная скорость молекул связана с температурой, само понятие "скорость движения множества молекул" размыто. Температура по своему физическому смыслу является мерой энергии, а не скорости.

3) взаимодействие молекул — этот вариант неверен. Взаимодействие молекул (силы притяжения и отталкивания) определяет их потенциальную энергию. Потенциальная энергия, наряду с кинетической, является частью внутренней энергии тела, но температура напрямую связана именно с кинетической энергией теплового движения.

4) среднюю кинетическую энергию молекул — этот вариант является правильным. Он точно отражает физический смысл температуры в молекулярно-кинетической теории. Именно средняя кинетическая энергия хаотического движения частиц определяет, насколько тело "нагрето".

Ответ: 4) среднюю кинетическую энергию молекул.

3. Может ли энергия при теплообмене самопроизвольно передаваться от холодного тела к горячему?

1) может, поскольку теплопередача от горячего тела к холодному является обратимым процессом

2) не может, поскольку теплопередача от горячего тела к холодному является необратимым процессом

3) может, поскольку теплопередача от горячего тела к холодному является необратимым процессом

4) не может, поскольку теплопередача от горячего тела к холодному является обратимым процессом

Решение

Данный вопрос относится к одному из фундаментальных законов природы — второму началу термодинамики, которое определяет направление протекания самопроизвольных процессов.

Согласно формулировке второго начала термодинамики, предложенной Рудольфом Клаузиусом, невозможен процесс, единственным результатом которого является передача тепла от менее нагретого тела к более нагретому. Это означает, что энергия в форме теплоты не может самопроизвольно (то есть без совершения работы внешней силой, как в холодильной машине) передаваться от холодного тела к горячему. Таким образом, первая часть правильного утверждения — «не может».

Далее необходимо разобраться с причиной, которая связана с обратимостью процесса. Процесс теплопередачи от горячего тела к холодному является необратимым. Необратимость означает, что процесс не может самопроизвольно пойти в обратном направлении. Если бы этот процесс был обратимым, то тепло могло бы так же самопроизвольно вернуться от холодного тела к горячему, восстановив исходное состояние, что, как мы уже установили, невозможно. Все реальные процессы в природе, протекающие с конечной скоростью (в том числе и теплообмен при наличии разности температур), являются необратимыми.

Необратимость процесса теплопередачи связана с увеличением полной энтропии изолированной системы. При передаче количества теплоты $\delta Q$ от горячего тела с температурой $T_1$ к холодному с температурой $T_2$ (где $T_1 > T_2$), изменение полной энтропии системы $\Delta S_{полн}$ всегда положительно:

$\Delta S_{полн} = \Delta S_1 + \Delta S_2 = -\frac{\delta Q}{T_1} + \frac{\delta Q}{T_2} = \delta Q \left( \frac{1}{T_2} - \frac{1}{T_1} \right) > 0$

Поскольку самопроизвольные процессы в изолированных системах могут идти только в сторону увеличения энтропии, обратный процесс (передача тепла от холодного тела к горячему) невозможен, так как он привел бы к уменьшению энтропии, что запрещено вторым началом термодинамики.

Следовательно, верным является утверждение: энергия не может самопроизвольно передаваться от холодного тела к горячему, поскольку процесс теплопередачи от горячего к холодному необратим.

Этому умозаключению соответствует вариант ответа 2.

Ответ: 2) не может, поскольку теплопередача от горячего тела к холодному является необратимым процессом.

4. Стальную деталь просверлили. Как изменилась её внутренняя энергия?

1) увеличилась за счёт теплопередачи

2) увеличилась за счёт совершения работы

3) уменьшилась за счёт совершения работы

4) уменьшилась за счёт теплопередачи

Решение

Внутренняя энергия тела может быть изменена двумя способами: совершением работы или теплопередачей. Изменение внутренней энергии ($\Delta U$) системы равно сумме количества теплоты ($Q$), переданного системе, и работы ($A'$), совершённой над системой. Это выражается формулой первого начала термодинамики: $\Delta U = Q + A'$.

В процессе сверления стальной детали сверло, приводимое в движение дрелью, совершает механическую работу. Эта работа идет на преодоление сил трения между сверлом и деталью, а также на деформацию и разрушение материала. В результате совершения этой работы механическая энергия преобразуется во внутреннюю энергию.

Увеличение внутренней энергии приводит к повышению температуры как самой детали, так и сверла. Мы наблюдаем, что деталь нагревается. Поскольку это нагревание происходит из-за механического воздействия (трения), а не из-за контакта с более горячим телом (теплопередачи), то причиной увеличения внутренней энергии является именно совершение работы.

Следовательно, внутренняя энергия стальной детали увеличилась за счёт совершения работы.

Ответ: 2) увеличилась за счёт совершения работы.