Эксперимент в классе, страница 17 - гдз по физике 8 класс учебник Закирова, Аширов

Эксперимент в классе

Проведите опыты, изображенные на рисунках 7 и 8

Рис. 7. Самовозгорание паров спирта при сжатии

Рис. 8. Уменьшение внутренней энергии пара при совершении работы

Рис. 7. Самовозгорание паров спирта при сжатии

В данном опыте демонстрируется возможность воспламенения горючей смеси без источника огня, только за счет сжатия.

Решение:

В цилиндр с поршнем (так называемое «огниво Дизеля») помещают небольшой кусочек ваты, пропитанный легковоспламеняющимся веществом, например, эфиром или спиртом. При резком нажатии на поршень объем газа внутри цилиндра уменьшается, а давление и температура резко возрастают.

Этот процесс является адиабатным, так как сжатие происходит настолько быстро, что система не успевает обменяться теплом с окружающей средой. Первый закон термодинамики гласит: $ \Delta U = Q + W $, где $ \Delta U $ — изменение внутренней энергии системы, $ Q $ — количество теплоты, переданное системе, а $ W $ — работа, совершенная над системой.

Для адиабатного процесса $ Q = 0 $. Тогда первый закон термодинамики принимает вид: $ \Delta U = W $.

При сжатии газа внешние силы совершают над ним положительную работу ($ W > 0 $). Следовательно, вся работа идет на увеличение внутренней энергии газа ($ \Delta U > 0 $). Для идеального газа внутренняя энергия прямо пропорциональна температуре, поэтому температура газа значительно повышается. Когда температура достигает температуры самовоспламенения паров спирта, происходит вспышка.

Ответ: При резком адиабатном сжатии работа внешних сил преобразуется во внутреннюю энергию газа, что приводит к значительному росту его температуры и самовоспламенению паров спирта.

Рис. 8. Уменьшение внутренней энергии пара при совершении работы

Этот опыт показывает, как газ может совершать работу за счет своей внутренней энергии, что приводит к его охлаждению.

Решение:

В пробирку наливают немного воды и нагревают до кипения, пока пробирка не заполнится водяным паром. Затем пробирку закрывают пробкой. Давление пара под пробкой растет, и в какой-то момент пар с силой выталкивает пробку.

Процесс расширения пара, выталкивающего пробку, происходит очень быстро, поэтому его можно считать адиабатным ($ Q \approx 0 $). В этом случае газ (пар) сам совершает работу $ A' $ над внешним телом (пробкой). Работа, совершаемая над газом, $ W $, будет отрицательной: $ W = -A' $.

Согласно первому закону термодинамики $ \Delta U = Q + W $, для нашего случая получаем: $ \Delta U = -A' $.

Так как газ совершил положительную работу ($ A' > 0 $), его внутренняя энергия уменьшилась ($ \Delta U < 0 $). Уменьшение внутренней энергии пара приводит к понижению его температуры. В результате резкого охлаждения температура пара может упасть ниже точки росы, что приводит к конденсации — превращению части пара в мельчайшие капельки воды. Эти капельки образуют туман, который можно наблюдать в пробирке сразу после вылета пробки.

Ответ: При резком адиабатном расширении водяной пар совершает работу по выталкиванию пробки за счет своей внутренней энергии. Это приводит к уменьшению внутренней энергии и, как следствие, к охлаждению пара и его частичной конденсации с образованием тумана.