Тепловые Явления — Задание 19 ОГЭ по физике №00040329

О чём вопрос. Джоуль проверял простую, но важную мысль: механическая работа не пропадает бесследно, а превращается во внутреннюю энергию тела — то есть в нагрев. Значит, надо объяснить, почему вода вообще должна нагреться, и оценить, насколько сильно.

Куда девается энергия грузов. Два груза опускаются вниз и через мешалку вращают лопасти в воде. Опускаясь, каждый груз теряет потенциальную энергию. Лопасти не разгоняют воду навсегда: вода вязкая, слои трутся друг о друга, движение затухает. По закону сохранения энергии эта энергия никуда не исчезает — она переходит во внутреннюю энергию воды, то есть в беспорядочное движение её молекул. А рост внутренней энергии воды мы и ощущаем как повышение температуры. Поэтому ответ на первую часть вопроса: да, вода нагреется.

Сколько энергии поступает. За одно опускание с высоты $h$ два груза отдают воде $A_1=2\,m_{\text{гр}}gh=2\cdot14\cdot10\cdot2=560$ Дж. Опыт повторяют $N=20$ раз, каждый раз поднимая грузы заново, поэтому всего в воду поступает $A=NA_1=20\cdot560=11\,200$ Дж.

Переводим энергию в градусы. Вся работа пошла на нагрев воды, значит $Q=A$, а нагрев связан с теплотой привычной формулой $Q=cm\Delta t$, где $c=4200$ Дж/(кг·°С) — удельная теплоёмкость воды, $m=7$ кг. Отсюда

$$\Delta t=\frac{2Nm_{\text{гр}}gh}{cm}=\frac{11\,200}{4200\cdot7}\approx0{,}38\ ^\circ\text{С}.$$

Что этот результат означает. Нагрев вышел меньше половины градуса — вот почему такие опыты так трудно было поставить: нужен очень чувствительный термометр. Бытовая аналогия: если долго и энергично мешать чай ложкой, он тоже нагреется, но заметить это на ощупь невозможно. Зато опыты Джоуля доказали главное: работа и теплота — это «две валюты» одной и той же энергии.