Номер 5, страница 241 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин

Задачи для повторения - номер 5, страница 241.

5. На графике (рис. 182) показано изменение температуры некоторого твёрдого тела с течением времени. Определите начальную и конечную температуру тела. Охарактеризуйте изменение внутренней энергии тела на каждом участке графика за всё время наблюдения.

Дано:
График зависимости температуры твердого тела от времени $t(\tau)$.
Масштаб по оси времени ($\tau$, мин): 1 клетка = 1 мин.
Масштаб по оси температуры ($t$, °C): 1 клетка = 10 °C.

Найти:
Начальную температуру $t_{нач}$ — ?
Конечную температуру $t_{кон}$ — ?
Охарактеризовать изменение внутренней энергии $\Delta U$ на каждом участке.

Решение:
Задача состоит из двух частей: определение начальной и конечной температуры и анализ изменения внутренней энергии на разных этапах процесса.

1. Определение начальной и конечной температуры.
Для определения температур воспользуемся графиком.

Начальная температура — это температура тела в начальный момент времени, то есть при $\tau = 0$ мин. Из графика видно, что в этот момент времени значение температуры соответствует 4 делениям по оси $t$. Учитывая, что цена одного деления составляет 10 °C, начальная температура равна: $t_{нач} = 4 \cdot 10 \text{ °C} = 40 \text{ °C}$.

Конечная температура — это температура тела в конце наблюдения. Процесс заканчивается в момент времени $\tau = 17$ мин. В этот момент график достигает оси времени, что соответствует температуре: $t_{кон} = 0 \text{ °C}$.

Ответ: Начальная температура тела составляет 40 °C, конечная температура — 0 °C.

2. Характеристика изменения внутренней энергии.
Внутренняя энергия тела ($U$) связана с температурой и агрегатным состоянием вещества. Она складывается из кинетической энергии движения частиц и потенциальной энергии их взаимодействия. При изменении температуры меняется кинетическая энергия частиц, а при фазовом переходе (например, плавлении) — потенциальная. Изменение внутренней энергии $\Delta U$ происходит, когда тело получает или отдает теплоту ($Q$). Если $Q > 0$ (тепло подводится), внутренняя энергия увеличивается. Если $Q < 0$ (тепло отводится), внутренняя энергия уменьшается.

Разобьем весь процесс на четыре участка:

• Участок 1 (от 0 до 5 мин):
  Температура тела линейно уменьшается с 40 °C до 20 °C. Так как температура падает, средняя кинетическая энергия молекул уменьшается. Это означает, что тело отдает теплоту в окружающую среду ($Q < 0$). Следовательно, внутренняя энергия тела на этом участке уменьшается.
• Участок 2 (от 5 до 10 мин):
  Температура тела линейно увеличивается с 20 °C до 80 °C. Рост температуры свидетельствует об увеличении средней кинетической энергии молекул. Тело получает теплоту ($Q > 0$). Следовательно, внутренняя энергия тела на этом участке увеличивается.
• Участок 3 (от 10 до 15 мин):
  Температура тела остается постоянной и равной 80 °C. Поскольку изначально тело было твердым, а процесс нагрева продолжается (время идет), постоянство температуры указывает на фазовый переход — плавление. Во время плавления тело поглощает теплоту ($Q_{пл} > 0$), которая идет не на увеличение кинетической энергии молекул (температура не растет), а на разрушение кристаллической решетки, что увеличивает потенциальную энергию взаимодействия молекул. Таким образом, внутренняя энергия тела на этом участке увеличивается.
• Участок 4 (от 15 до 17 мин):
  Температура тела (которое, вероятно, уже находится в жидком состоянии) линейно уменьшается с 80 °C до 0 °C. Снижение температуры означает, что тело отдает теплоту ($Q < 0$), и его внутренняя энергия уменьшается.

Ответ:

• На участке от 0 до 5 мин внутренняя энергия уменьшается.
• На участке от 5 до 10 мин внутренняя энергия увеличивается.
• На участке от 10 до 15 мин (плавление) внутренняя энергия увеличивается.
• На участке от 15 до 17 мин внутренняя энергия уменьшается.