Номер 4, страница 86 - гдз по физике 10 класс учебник Громыко, Зенькович

В ходе эксперимента был построен график зависимости температуры вещества от абсолютной величины выделенного им в процессе теплообмена количества теплоты (рис. 76). В момент начала отсчёта времени в сосуде находился только газ, а его давление в ходе всего процесса оставалось постоянным. Какие изменения температуры и внутренней энергии вещества происходили на каждом участке графика?

Рис. 76

Решение

Проанализируем каждый участок графика зависимости температуры вещества $T$ от абсолютной величины выделившегося количества теплоты $|Q|$. Процесс происходит при постоянном давлении, и в начальный момент времени вещество находится в газообразном состоянии.

Внутренняя энергия вещества $U$ складывается из кинетической энергии движения его молекул (которая определяется температурой) и потенциальной энергии их взаимодействия (которая зависит от расстояния между молекулами, то есть от агрегатного состояния).

Участок 1

На этом участке температура вещества уменьшается при отводе тепла. Так как вещество изначально было газом, этот участок соответствует процессу охлаждения газа.
Изменение температуры: Температура уменьшается.
Изменение внутренней энергии: При охлаждении газа уменьшается кинетическая энергия его молекул. Поскольку процесс изобарный ($p = \text{const}$), то при уменьшении температуры уменьшается и объем газа (согласно закону Гей-Люссака $V/T = \text{const}$). Уменьшение объема приводит к сближению молекул и, следовательно, к уменьшению их потенциальной энергии. Таким образом, внутренняя энергия газа уменьшается ($\Delta U < 0$).

Ответ: Температура уменьшается, внутренняя энергия уменьшается.

Участок 2

На этом участке от вещества отводится тепло, но его температура остается постоянной. Это характерно для фазового перехода. Поскольку до этого газ охлаждался, на этом участке происходит процесс конденсации — переход вещества из газообразного состояния в жидкое.
Изменение температуры: Температура постоянна ($T = \text{const}$).
Изменение внутренней энергии: Во время конденсации кинетическая энергия молекул не меняется, так как температура постоянна. Однако расстояние между молекулами резко сокращается при переходе в жидкое состояние, что ведет к значительному уменьшению потенциальной энергии их взаимодействия. Следовательно, внутренняя энергия вещества уменьшается ($\Delta U < 0$).

Ответ: Температура не изменяется, внутренняя энергия уменьшается.

Участок 3

После завершения конденсации все вещество находится в жидком состоянии. На этом участке температура снова уменьшается при отводе тепла. Этот процесс соответствует охлаждению жидкости.
Изменение температуры: Температура уменьшается.
Изменение внутренней энергии: При охлаждении жидкости уменьшается кинетическая энергия движения ее молекул, что приводит к уменьшению внутренней энергии ($\Delta U < 0$).

Ответ: Температура уменьшается, внутренняя энергия уменьшается.

Участок 4

На этом участке вновь происходит отвод тепла при постоянной температуре. Это второй фазовый переход. Охлаждаемая жидкость начинает замерзать (кристаллизоваться) — переходить из жидкого состояния в твердое.
Изменение температуры: Температура постоянна ($T = \text{const}$).
Изменение внутренней энергии: При кристаллизации кинетическая энергия молекул (связанная с температурой) не меняется. Однако молекулы выстраиваются в упорядоченную кристаллическую решетку, что сопровождается уменьшением потенциальной энергии их взаимодействия. Внутренняя энергия вещества уменьшается ($\Delta U < 0$).

Ответ: Температура не изменяется, внутренняя энергия уменьшается.

Участок 5

После полной кристаллизации вещество находится в твердом состоянии. На этом участке при отводе тепла его температура уменьшается. Этот процесс соответствует охлаждению твердого тела.
Изменение температуры: Температура уменьшается.
Изменение внутренней энергии: При охлаждении твердого тела уменьшается интенсивность колебаний атомов (или молекул) в узлах кристаллической решетки, то есть уменьшается их кинетическая энергия. Это приводит к уменьшению внутренней энергии вещества ($\Delta U < 0$).

Ответ: Температура уменьшается, внутренняя энергия уменьшается.