Задание №19 — МЕХАНИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ

Решение.

Для ответа на вопрос задачи проанализируем физические процессы, происходящие с газом в колбе, опираясь на представленные рисунки.

1. Анализ изменения давления. На рисунке 1 уровни жидкости в коленах U-образного манометра находятся на одной горизонтальной линии. Это означает, что давление газа в колбе равно атмосферному давлению. На рисунке 2, после того как колбу опустили в сосуд с водой, уровень жидкости в левом колене (соединённом с колбой) стал выше, чем в правом (открытом в атмосферу). Это свидетельствует о том, что давление газа в колбе стало меньше атмосферного давления ($P_{газа} < P_{атм}$). Следовательно, при погружении в воду давление газа в колбе уменьшилось.

2. Связь давления и температуры. Колба является герметичной и жёсткой, поэтому объём газа ($V$) и его масса ($m$) остаются неизменными (процесс изохорный). Согласно закону Шарля (или основному уравнению МКТ), для постоянного объёма давление газа прямо пропорционально его абсолютной температуре: $P \sim T$. Так как давление газа уменьшилось, значит, уменьшилась и его температура.

3. Внутренняя энергия. Внутренняя энергия идеального газа ($U$) зависит только от его абсолютной температуры и массы (количества вещества). Формула внутренней энергии: $U = \frac{i}{2} \frac{m}{M} RT$, где $i$ — число степеней свободы молекул, $R$ — универсальная газовая постоянная. Поскольку температура газа $T$ понизилась, то и внутренняя энергия газа в колбе уменьшилась.

Вывод: Газ в колбе охладился при контакте с холодной водой в сосуде, что привело к падению давления и, как следствие, к уменьшению его внутренней энергии.

Ответ: Внутренняя энергия газа уменьшилась.

Источник: ФИПИ