ГДЗ по физике, 8 класс, Перышкин, номер 5.3: Внутренняя энергия

План решения:

• Проанализировать последствия механического взаимодействия (соударения) тел с точки зрения изменения их температуры и внутренней энергии.
• Рассмотреть процесс фазовых переходов вещества: конденсация газа в жидкость и кристаллизация жидкости в твёрдое тело.
• Связать изменение агрегатного состояния с изменением кинетической и потенциальной энергии молекул, то есть с изменением внутренней энергии.

Вычисление и рассуждения:

1. Изменение состояния свинцового шара и пластины после соударения.

При ударе свинцового шара о пластину происходит деформация обоих тел. Работа сил упругости при деформации и силы трения при скольжении поверхностей друг относительно друга совершается за счёт механической энергии шара. Часть этой механической энергии переходит во внутреннюю энергию тел.

Главным свидетельством изменения состояния является повышение температуры места контакта шара и пластины. Если бы мы могли измерить температуру до и после удара, она оказалась бы выше. Это означает, что средняя кинетическая энергия хаотического движения атомов свинца увеличилась, следовательно, выросла внутренняя энергия тел. Также может наблюдаться остаточная деформация (вмятина), что свидетельствует об изменении формы и структуры материала на микроскопическом уровне.

2. Изменения внутренней энергии при переходе из газа в жидкость и затем в твёрдое тело.

Внутренняя энергия тела складывается из суммарной кинетической энергии хаотического движения частиц и суммарной потенциальной энергии их взаимодействия.

Переход «газ → жидкость» (конденсация):

При конденсации газ охлаждается или находится при постоянной температуре, но выделяется теплота (Q>0 отводится наружу). Молекулы газа, находившиеся далеко друг от друга, сближаются. Потенциальная энергия взаимодействия молекул резко уменьшается (становится более отрицательной), так как они попадают в зону действия притяжения. Кинетическая энергия молекул также уменьшается (если температура падает) или остаётся неизменной (при фазовом переходе при постоянной температуре, но тогда уменьшение потенциальной энергии доминирует над сохранением кинетической в контексте общего баланса энергии системы, которая отдаёт тепло). В итоге внутренняя энергия вещества уменьшается .

Переход «жидкость → твёрдое тело» (кристаллизация):

При замерзании жидкости молекулы выстраиваются в упорядоченную кристаллическую решётку. Расстояния между молекулами становятся фиксированными, а взаимодействие усиливается. Как и при конденсации, система теряет энергию, передавая её окружающей среде (выделяется теплота плавления/кристаллизации). Потенциальная энергия взаимодействия частиц в твёрдом теле ниже, чем в жидкости (для большинства веществ, кроме воды, где объём растёт, но энергетически состояние кристалла всё равно устойчивее при данной температуре). Кинетическая энергия колебаний молекул в узлах решётки меньше, чем поступательно-вращательное движение в жидкости при той же температуре? Нет, при фазовом переходе температура постоянна, значит средняя кинетическая энергия одинакова. Но полная внутренняя энергия твёрдого тела меньше внутренней энергии жидкости того же вещества при той же температуре, так как для перехода нужно отвести энергию. Следовательно, внутренняя энергия снова уменьшается .

Итог по второму пункту: При последовательном переходе вещества из газообразного состояния в жидкое, а затем в твёрдое, его внутренняя энергия уменьшается на каждом этапе.

Проверка:

Логика верна: чтобы перевести вещество из менее упорядоченного состояния (газ) в более упорядоченное (твёрдое тело), необходимо забрать у него энергию (охладить или отвести теплоту фазового перехода). Уменьшение энергии системы соответствует уменьшению её внутренней энергии. Соударение тел — это пример превращения макроскопической механической энергии в микроскопическую внутреннюю, что подтверждается нагреванием.