Задание №19 — ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ

Решение.

Для объяснения изменения температуры газа при его быстром расширении воспользуемся первым законом термодинамики и понятием работы газа.

1. Физический закон. Согласно первому закону термодинамики, количество теплоты $Q$, переданное системе, расходуется на изменение её внутренней энергии $\Delta U$ и совершение системой работы $A$ против внешних сил:
$Q = \Delta U + A$.

2. Адиабатный процесс. В условии сказано, что газ выходит из сосуда быстро. Это означает, что за малый промежуток времени газ не успевает обменяться теплом с окружающей средой. Такой процесс можно считать адиабатным, то есть $Q = 0$.

3. Работа и внутренняя энергия. При расширении газ совершает положительную работу ($A > 0$), так как он преодолевает силы внешнего давления. Подставим $Q = 0$ в формулу первого закона термодинамики:
$0 = \Delta U + A$, откуда следует, что $\Delta U = -A$.

4. Изменение температуры. Так как работа $A$ положительна, изменение внутренней энергии $\Delta U$ будет отрицательным ($\Delta U < 0$). Внутренняя энергия идеального газа прямо пропорциональна его абсолютной температуре ($U \sim T$). Следовательно, при уменьшении внутренней энергии температура газа также уменьшается.

Вывод: При быстром расширении газ совершает работу за счёт своей внутренней энергии, что приводит к его охлаждению.

Ответ: Температура газа уменьшится.

Источник: ФИПИ