Тепловые Явления — Задание 19 ОГЭ по физике №00040287

Что дано

Жёсткая колба с газом соединена трубкой с $U$-образным жидкостным манометром — прибором, который показывает разность давлений по перепаду уровней жидкости в двух коленах.

• Рис. 1 (колба в воздухе): уровни жидкости в обоих коленах одинаковые.
• Рис. 2 (колбу опустили в сосуд с водой): уровень в колене со стороны колбы опустился, а в открытом колене — поднялся.

Идея

Разберёмся, что говорят показания манометра. Одинаковые уровни на рис. 1 означают, что давление газа в колбе равно атмосферному: обе жидкости «давят» одинаково, перекоса нет.

На рис. 2 газ продавил жидкость в своём колене вниз и поднял её в открытом. Значит теперь газ давит сильнее атмосферы ровно на вес поднятого столба жидкости:

$$p_к=p_0+\rho g h$$

где $h$ — разность уровней. Вывод номер один: давление газа в колбе выросло.

Что это даёт по температуре

Колба стеклянная и жёсткая, газ из неё никуда не уходит — значит объём газа не изменился. Такой процесс называется изохорным (при постоянном объёме).

Для изохорного процесса работает закон Шарля: при постоянном объёме давление газа прямо пропорционально его абсолютной температуре,

$$\frac{p_1}{T_1}=\frac{p_2}{T_2}$$

Раз давление выросло ($p_2>p_1$), то и температура выросла: $T_2>T_1$. Физически это понятно: молекулы стали двигаться быстрее и бьют по стенкам сильнее и чаще.

Отвечаем на вопрос

Внутренняя энергия газа — это суммарная энергия движения его молекул; для данной порции газа она определяется температурой: чем выше температура, тем больше внутренняя энергия. Температура газа поднялась — значит поднялась и внутренняя энергия.

Откуда энергия взялась, тоже понятно: газ не совершал работу (объём не менялся), зато получил теплоту от воды через стенки колбы — вода оказалась теплее окружающего воздуха.

Вывод

Внутренняя энергия газа в колбе изменилась — она увеличилась за счёт теплоты, полученной от воды.