Страница 82 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин, Иванов

1. Как экспериментально подтвердить возможность совершения механической работы нагретым паром?

1. Для того чтобы экспериментально подтвердить возможность совершения механической работы нагретым паром, можно провести следующий опыт. Необходимо взять термостойкую пробирку, налить в нее небольшое количество воды (на 1-2 сантиметра от дна) и плотно закрыть ее пробкой. После этого следует закрепить пробирку в штативе и начать нагревать ее содержимое с помощью спиртовки или горелки.

В процессе нагревания вода достигнет температуры кипения и начнет интенсивно испаряться, превращаясь в водяной пар. Поскольку объем, занимаемый паром, в сотни раз превышает объем воды, из которой он образовался, давление внутри пробирки начнет резко возрастать. Молекулы пара, обладая высокой кинетической энергией, будут оказывать силовое воздействие на стенки сосуда и на пробку. В определенный момент сила давления пара на пробку превысит силу трения, удерживающую ее в горлышке пробирки. В результате пар, расширяясь, вытолкнет пробку. Тот факт, что пробка придет в движение и пролетит некоторое расстояние, свидетельствует о том, что над ней была совершена механическая работа. Эта работа $A$ была совершена силой давления $F$ расширяющегося пара, переместившей пробку на расстояние $s$ ($A = F \cdot s$). Таким образом, эксперимент наглядно доказывает, что нагретый пар может совершать механическую работу.

Ответ: Экспериментально подтвердить возможность совершения работы нагретым паром можно, нагревая воду в пробирке, заткнутой пробкой. Образующийся пар, расширяясь, вытолкнет пробку, тем самым совершив механическую работу по её перемещению.

2. В ходе эксперимента, описанного в пункте 1, происходят последовательные превращения энергии. Изначально при сгорании топлива (например, в спиртовке) его внутренняя (химическая) энергия преобразуется в теплоту, то есть во внутреннюю энергию пламени. Эта энергия путем теплопередачи сообщается воде в пробирке, что приводит к увеличению внутренней энергии самой воды, ее нагреванию и последующему парообразованию.

Образовавшийся горячий пар обладает значительным запасом внутренней энергии. Когда этот пар расширяется и выталкивает пробку, он совершает механическую работу. Согласно первому закону термодинамики, работа газом может совершаться только за счет уменьшения его внутренней энергии (или за счет подводимой извне теплоты). В данном случае внутренняя энергия пара преобразуется в кинетическую энергию летящей пробки. Таким образом, ключевым процессом является преобразование внутренней энергии рабочего тела (пара) в механическую работу, а затем в механическую энергию.

Ответ: Происходит превращение внутренней энергии нагретого пара в механическую работу, которая, в свою очередь, переходит в кинетическую энергию движущегося тела (пробки).

2. Какие превращения энергии происходят в опыте, изображённом на рисунке 41?

...ханической работы нагретым паром?

Совершение механической работы нагретым паром основано на преобразовании его внутренней энергии в механическую. Это можно продемонстрировать на простом опыте. Если в сосуд (например, пробирку) налить немного воды, закрыть его пробкой и начать нагревать, то вода закипит и превратится в пар. Пар обладает значительно большей внутренней энергией, чем вода той же массы и температуры. Расширяясь, пар давит на пробку с большой силой. Когда сила давления становится достаточной, чтобы преодолеть силу трения, пробка вылетает. В этом процессе пар совершает механическую работу по перемещению пробки. Эта работа совершается за счет уменьшения внутренней энергии самого пара.

Ответ: Совершение механической работы нагретым паром происходит за счет его внутренней энергии: при расширении пар давит на препятствие (например, поршень или турбину) и перемещает его.

2. Какие превращения энергии происходят в опыте, изображённом на рисунке 41?

В опыте, который демонстрирует совершение работы паром, происходит следующая цепь превращений энергии. Во-первых, при сгорании топлива его химическая энергия превращается в тепловую энергию. Во-вторых, эта тепловая энергия передается воде, увеличивая ее внутреннюю энергию, что приводит к нагреву и парообразованию. В-третьих, пар, обладая большой внутренней энергией, расширяется и совершает механическую работу (например, выталкивает пробку или вращает вертушку). При этом внутренняя энергия пара преобразуется в механическую энергию (в данном случае, в кинетическую энергию движущегося объекта).

Ответ: В опыте происходит последовательное превращение химической энергии топлива в тепловую, затем тепловой энергии во внутреннюю энергию пара, и, наконец, внутренней энергии пара в механическую энергию (работу).

3. Какие двигатели называют тепловыми?

Тепловыми двигателями называют устройства (машины), которые преобразуют внутреннюю энергию топлива в механическую работу. Принцип действия любого теплового двигателя основан на том, что рабочее тело (газ или пар), расширяясь при нагревании, совершает работу. Для функционирования теплового двигателя необходимы три основных компонента: нагреватель (источник тепла, который передает энергию рабочему телу, например, сгорающее топливо), рабочее тело (вещество, которое совершает работу при расширении, например, пар или газы) и холодильник (объект или среда с более низкой температурой, которому рабочее тело отдает часть теплоты, не превращенной в работу, — чаще всего это окружающая среда).

Примерами тепловых двигателей являются двигатель внутреннего сгорания (ДВС), паровая машина, паровая и газовая турбины, реактивный двигатель.

Ответ: Тепловыми двигателями называют машины, которые преобразуют внутреннюю энергию, выделяющуюся при сгорании топлива, в механическую работу.

3. Какие двигатели называют тепловыми?

2. Поскольку в вопросе содержится ссылка на рисунок 41, который не приложен, рассмотрим наиболее вероятный и показательный опыт, демонстрирующий принцип работы тепловых машин: нагревание пробирки с небольшим количеством воды, закрытой пробкой. В этом опыте происходит следующая последовательность превращений энергии. Сначала химическая энергия, запасённая в топливе горелки, при сгорании преобразуется в тепловую энергию. Далее эта тепловая энергия передаётся воде в пробирке, что приводит к увеличению её внутренней энергии, её нагреванию и последующему испарению. Образовавшийся водяной пар обладает значительной внутренней энергией. Расширяясь, пар совершает механическую работу — он выталкивает пробку из пробирки. В этот момент внутренняя энергия пара преобразуется в кинетическую энергию движущейся пробки (а также в её потенциальную энергию, если она летит вверх).

Ответ: В опыте происходит преобразование внутренней энергии нагретого пара в механическую энергию (кинетическую и потенциальную энергию пробки).

3. Тепловыми двигателями называют машины, которые преобразуют внутреннюю энергию топлива (или любую другую подводимую тепловую энергию) в механическую работу. Основным принципом работы таких двигателей является использование расширения рабочего тела (как правило, газа или пара) при его нагревании. Это расширение приводит в движение определённые части механизма (например, поршень в цилиндре или лопатки турбины), совершая тем самым полезную механическую работу. Для непрерывной работы двигатель должен работать циклически, получая тепло от горячего источника (нагревателя) и отдавая часть тепла холодному источнику (холодильнику). К наиболее известным типам тепловых двигателей относятся двигатели внутреннего сгорания (ДВС), паровые машины, паровые и газовые турбины, а также реактивные двигатели.

Ответ: Тепловыми двигателями называют машины, предназначенные для преобразования внутренней энергии в механическую работу.

1. Какое преобразование энергии лежит в основе работы тепловых двигателей?

1. Тепловой двигатель — это устройство, которое предназначено для преобразования тепловой энергии в механическую работу. Принцип его работы основан на использовании энергии, выделяющейся при нагревании рабочего тела (газа или пара).

Процесс преобразования энергии в тепловом двигателе можно описать следующими этапами:

1. Получение энергии. Обычно это происходит за счет сгорания топлива (например, бензина, дизельного топлива, угля). При сгорании химическая энергия топлива преобразуется в тепловую энергию, которая передается рабочему телу (например, газу в цилиндре двигателя).
2. Преобразование энергии. Нагретое рабочее тело обладает большой внутренней энергией. Оно расширяется и давит на поршень (или лопатки турбины), заставляя его двигаться. Таким образом, внутренняя энергия газа преобразуется в механическую работу по перемещению поршня.
3. Отвод тепла. Согласно второму закону термодинамики, невозможно преобразовать всю полученную теплоту в работу. Часть тепловой энергии обязательно передается более холодному телу — холодильнику (в случае двигателя внутреннего сгорания — окружающей среде).

Таким образом, основным преобразованием энергии, которое лежит в основе работы любого теплового двигателя, является преобразование внутренней энергии нагретого рабочего тела в механическую работу.

Ответ: В основе работы тепловых двигателей лежит преобразование внутренней энергии в механическую.

2. Можно ли механическую энергию полностью превратить во внутреннюю?

2. Да, механическую энергию можно полностью превратить во внутреннюю. Этот процесс наблюдается в системах, где действуют диссипативные силы, такие как сила трения или сила сопротивления среды. Вся работа этих сил приводит к увеличению внутренней энергии взаимодействующих тел, что обычно проявляется в их нагревании.

Рассмотрим несколько примеров, иллюстрирующих этот процесс:

1. Торможение за счет трения. Представим, что тело, например, брусок, скользит по горизонтальной поверхности и в итоге останавливается под действием силы трения. В начальный момент времени брусок обладал кинетической энергией $E_к = \frac{mv^2}{2}$. Когда брусок остановился, его скорость стала равна нулю, и, следовательно, его кинетическая энергия также стала равна нулю. Согласно закону сохранения энергии, механическая энергия не исчезла, а преобразовалась. Работа, совершенная силой трения, полностью перешла во внутреннюю энергию бруска и поверхности. Изменение внутренней энергии системы $\Delta U$ равно по модулю начальной кинетической энергии: $\Delta U = E_к$. Таким образом, вся механическая энергия тела полностью превратилась во внутреннюю.

2. Абсолютно неупругий удар. Если тело падает с некоторой высоты $h$ на абсолютно мягкую поверхность (например, в песок) и не отскакивает, то происходит абсолютно неупругий удар. Изначально тело обладало потенциальной энергией $E_п = mgh$. Непосредственно перед ударом вся потенциальная энергия переходит в кинетическую. В момент удара эта кинетическая энергия полностью преобразуется во внутреннюю энергию тела и поверхности (они нагреваются), а также в энергию деформации и звука. Если пренебречь потерями на излучение звука, можно считать, что вся начальная механическая энергия полностью перешла во внутреннюю.

3. Опыт Джоуля. В классическом эксперименте Джеймса Джоуля по установлению механического эквивалента теплоты, опускающиеся грузы (обладающие механической энергией) вращали лопасти, погруженные в воду в калориметре. За счет вязкого трения лопастей о воду совершалась механическая работа, которая приводила к нагреванию воды. Вся механическая работа $A$, совершенная лопастями, полностью переходила в изменение внутренней энергии $\Delta U$ воды: $A = \Delta U$. Этот опыт наглядно демонстрирует стопроцентное превращение механической работы во внутреннюю энергию.

Таким образом, процесс полного преобразования механической энергии во внутреннюю является фундаментальным и широко распространенным явлением. Стоит отметить, что обратный процесс — полное превращение внутренней энергии в механическую работу — невозможен согласно второму началу термодинамики.

Ответ: Да, механическую энергию можно полностью превратить во внутреннюю. Классическим примером является остановка движущегося тела под действием силы трения, когда вся его кинетическая энергия переходит во внутреннюю энергию (тепло).

УПРАЖНЕНИЕ 19

Керосин какой массы надо сжечь, чтобы выпарить 100 г воды, взятой при температуре 50 °C?

Дано:

$m_в = 100 \text{ г} = 0.1 \text{ кг}$

$t_1 = 50 \text{ °C}$

$t_2 = 100 \text{ °C}$ (температура кипения воды)

$c_в = 4200 \frac{Дж}{кг \cdot °С}$ (удельная теплоемкость воды)

$L = 2.3 \cdot 10^6 \frac{Дж}{кг}$ (удельная теплота парообразования воды)

$q_к = 4.6 \cdot 10^7 \frac{Дж}{кг}$ (удельная теплота сгорания керосина)

Найти:

$m_к$ — ?

Решение:

Чтобы выпарить воду, взятую при температуре 50 °C, необходимо сначала нагреть ее до температуры кипения (100 °C), а затем превратить в пар. Общее количество теплоты, необходимое для этого, складывается из двух частей:

1. Количество теплоты $Q_1$, необходимое для нагревания воды от $t_1$ до $t_2$: $Q_1 = c_в \cdot m_в \cdot (t_2 - t_1)$

2. Количество теплоты $Q_2$, необходимое для превращения воды в пар при температуре кипения: $Q_2 = L \cdot m_в$

Общее количество теплоты $Q_{общ}$, которое нужно сообщить воде, равно сумме $Q_1$ и $Q_2$: $Q_{общ} = Q_1 + Q_2 = c_в \cdot m_в \cdot (t_2 - t_1) + L \cdot m_в = m_в \cdot (c_в \cdot (t_2 - t_1) + L)$

Это количество теплоты выделяется при сгорании керосина массой $m_к$. Количество теплоты, выделяющееся при сгорании топлива, рассчитывается по формуле: $Q_к = q_к \cdot m_к$

Приравниваем количество теплоты, полученное водой, к количеству теплоты, выделившемуся при сгорании керосина (предполагая, что вся энергия от сгорания идет на нагрев и испарение воды): $Q_к = Q_{общ}$ $q_к \cdot m_к = m_в \cdot (c_в \cdot (t_2 - t_1) + L)$

Отсюда выражаем искомую массу керосина $m_к$: $m_к = \frac{m_в \cdot (c_в \cdot (t_2 - t_1) + L)}{q_к}$

Подставим числовые значения и произведем расчет: $Q_1 = 4200 \frac{Дж}{кг \cdot °С} \cdot 0.1 \text{ кг} \cdot (100 \text{ °C} - 50 \text{ °C}) = 420 \cdot 50 = 21000 \text{ Дж}$

$Q_2 = 2.3 \cdot 10^6 \frac{Дж}{кг} \cdot 0.1 \text{ кг} = 230000 \text{ Дж}$

$Q_{общ} = 21000 \text{ Дж} + 230000 \text{ Дж} = 251000 \text{ Дж}$

$m_к = \frac{Q_{общ}}{q_к} = \frac{251000 \text{ Дж}}{4.6 \cdot 10^7 \frac{Дж}{кг}} \approx 0.005456 \text{ кг}$

Переведем массу в граммы: $0.005456 \text{ кг} = 5.456 \text{ г} \approx 5.5 \text{ г}$

Ответ: для того чтобы выпарить 100 г воды, взятой при температуре 50 °C, необходимо сжечь примерно 5.5 г керосина.