ГДЗ по физике, 10 класс, Мякишев, номер 79.1: Внутренняя энергия

План решения:

Для ответа на этот вопрос необходимо вспомнить определение внутренней энергии идеального газа. Внутренняя энергия U одноатомного идеального газа прямо пропорциональна его абсолютной температуре T: U=3/2νRT где ν — количество вещества, R — универсальная газовая постоянная.

Важно понимать, что внутренняя энергия газа зависит только от состояния самого газа (его температуры и количества молекул) и не зависит от механического движения или положения сосуда как целого тела. Кинетическая и потенциальная энергия сосуда относятся к механической энергии системы «сосуд + газ» в целом, но не входят во внутреннюю энергию газа.

Разбор вариантов:

1. Охлаждение газа. При охлаждении температура T уменьшается. Согласно формуле выше, если T падает, то и внутренняя энергия U уменьшается. Этот вариант подходит.
2. Нагревание газа. При нагревании температура T увеличивается, следовательно, внутренняя энергия U растет. Этот вариант неверен.
3. Уменьшение потенциальной энергии сосуда. Потенциальная энергия сосуда зависит от его высоты над уровнем земли (E_p=mgh). Изменение высоты сосуда не влияет на температуру газа внутри него (если процесс изотермический или адиабатический для самого газа без внешнего теплообмена, меняющего T). Внутренняя энергия идеального газа не зависит от координат центра масс сосуда. Этот вариант неверен.
4. Уменьшение кинетической энергии сосуда. Кинетическая энергия сосуда зависит от скорости его движения (E_k=mv²/2). Если сосуд тормозит, его механическая кинетическая энергия переходит в другие формы (например, в тепло при трении о поверхность), но само по себе изменение скорости поступательного движения сосуда не является причиной изменения внутренней энергии газа, если мы рассматриваем изолированную систему или пренебрегаем диссипацией. Однако в контексте школьной физики ключевым фактором изменения U является именно тепловое состояние (температура). Уменьшение кинетической энергии макроскопического тела (сосуда) не равно уменьшению микроскопической кинетической энергии молекул газа (которая и есть внутренняя энергия). Поэтому этот пункт также не является прямым следствием изменения внутренней энергии газа в герметичном сосуде без учета сложных процессов диссипации. Но главное: внутренняя энергия определяется температурой. Только пункт 1 напрямую связан с изменением температуры.

Проверка и вывод:

Единственным параметром, который однозначно определяет внутреннюю энергию идеального газа, является его температура. Уменьшение температуры происходит при охлаждении. Механические параметры движения сосуда (скорость, высота) не влияют на внутреннюю энергию газа, так как она характеризует хаотическое движение молекул относительно друг друга, а не упорядоченное движение всего сосуда.