Номер 4, страница 43 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин

4. Почему различна удельная теплоёмкость одного и того же вещества, находящегося в разных агрегатных состояниях?

4. Почему различна удельная теплоёмкость одного и того же вещества, находящегося в разных агрегатных состояниях?

Различие удельной теплоёмкости одного и того же вещества в разных агрегатных состояниях (твёрдом, жидком и газообразном) объясняется фундаментальными различиями в его внутреннем строении, характере движения частиц (атомов, молекул) и силах взаимодействия между ними.

Удельная теплоёмкость ($c$) показывает, какое количество теплоты ($Q$) нужно передать телу массой $m$ для повышения его температуры на $ΔT$: $c = \frac{Q}{m \cdot ΔT}$.

Когда вещество получает теплоту (без изменения агрегатного состояния), эта энергия расходуется на увеличение его внутренней энергии ($ΔU$) и, возможно, на совершение работы ($A$) против внешних сил. Внутренняя энергия, в свою очередь, состоит из кинетической энергии хаотического движения частиц и потенциальной энергии их взаимодействия. Температура является мерой средней кинетической энергии частиц.

Рассмотрим, как распределяется полученная теплота в разных состояниях:

• Твёрдое состояние. В кристаллических твёрдых телах атомы или молекулы колеблются около фиксированных положений в узлах кристаллической решётки. Подводимая теплота почти целиком идёт на увеличение амплитуды этих колебаний, то есть на увеличение кинетической энергии частиц. Вклад в изменение потенциальной энергии и работа при расширении обычно малы.
• Жидкое состояние. В жидкостях частицы не имеют фиксированных положений и могут перемещаться друг относительно друга, но силы межмолекулярного взаимодействия всё ещё очень сильны. При нагревании жидкости подводимая энергия тратится не только на увеличение кинетической энергии движения частиц, но и на преодоление сил притяжения между ними, то есть на увеличение их потенциальной энергии. Так как часть энергии уходит на изменение потенциальной энергии, а не на рост кинетической (которая и определяет температуру), для нагревания жидкости на один градус требуется больше теплоты, чем для твёрдого тела.
• Газообразное состояние. В газах молекулы находятся далеко друг от друга, и силами взаимодействия между ними можно пренебречь. Внутренняя энергия газа — это практически только кинетическая энергия его молекул. Однако при нагревании газы обычно сильно расширяются, совершая при этом значительную работу против внешнего давления. Таким образом, полученная теплота расходуется и на увеличение кинетической энергии молекул, и на совершение этой работы.

Ярким примером служит вода:

• Удельная теплоёмкость льда (твёрдое тело) $\approx 2100 \frac{Дж}{кг \cdot К}$.
• Удельная теплоёмкость жидкой воды $\approx 4200 \frac{Дж}{кг \cdot К}$.
• Удельная теплоёмкость водяного пара (газ) $\approx 2000 \frac{Дж}{кг \cdot К}$ (при постоянном давлении).

Теплоёмкость жидкой воды аномально высока и почти в два раза превышает теплоёмкость льда и пара. Это объясняется наличием прочных водородных связей между молекулами воды. При нагревании значительная часть энергии уходит на их растяжение и частичный разрыв (увеличение потенциальной энергии), и лишь оставшаяся часть — на увеличение скорости движения молекул (кинетической энергии).

Ответ: Удельная теплоёмкость вещества в разных агрегатных состояниях различна, потому что подводимое количество теплоты по-разному распределяется между увеличением кинетической энергии частиц (что определяет рост температуры), увеличением их потенциальной энергии взаимодействия и совершением работы против внешних сил. Это распределение напрямую зависит от внутреннего строения вещества (структуры, сил взаимодействия и характера движения частиц), которое кардинально отличается для твёрдого, жидкого и газообразного состояний.