В-37 Экспериментальное открытие закона эквивалентности теплоты и работы

В 1807 г. физик Ж. Гей-Люссак, изучавший свойства газов, поставил простой опыт. Давно было известно, что сжатый газ, расширяясь, охлаждается. Гей-Люссак заставил газ расширяться в пустоту - в сосуд, воздух из которого был предварительно откачан. К его удивлению, никакого понижения температуры не произошло, температура газа не изменилась. Исследователь не мог объяснить результат: почему один и тот же газ, одинаково сжатый, расширяясь, охлаждается, если его выпускать прямо наружу в атмосферу, и не охлаждается, если его выпускать в пустой сосуд, где давление равно нулю?

Объяснить опыт удалось немецкому врачу Роберту Майеру. У Майера возникла мысль, что работа и теплота могут превращаться одна в другую. Эта замечательная идея сразу дала возможность Майеру сделать ясным загадочный результат в опыте Гей-Люссака: если теплота и работа взаимно превращаются, то при расширении газа в пустоту, когда он не совершает никакой работы, так как нет никакой силы (давления), противодействующей увеличению его объема, газ и не должен охлаждаться. Если же при расширении газа ему приходится совершать работу против внешнего давления, его температура должна понижаться. Даром работу получить нельзя! Замечательный результат Майера был много раз подтвержден прямыми измерениями; особое значение имели опыты Джоуля, который измерял количество теплоты, необходимое для нагревания жидкости вращающейся в ней мешалкой. Одновременно измерялись и работа, совершенная при вращении мешалки, и количество теплоты, полученное жидкостью. Как ни менялись условия опыта, брались разные жидкости, разные сосуды и мешалки, результат был один и тот же: всегда из одной и той же работы получалось одно и то же количество теплоты.

Рис. 1 Упрощенная схема опыта Джоуля по определению механического эквивалента теплоты

16. В опыте Ж. Гей-Люссака газ, расширяющийся в пустой сосуд, не охлаждается, потому что...

1. теплота в этом процессе полностью превращалась в работу

2. газ совершал работу против атмосферного давления

3. теплота в этом процессе полностью поглощалась сосудом

4. газ не совершал работы, так как давление в сосуде равно нулю

17. В опытах Джоуля внутренняя энергия жидкости увеличивается, благодаря...

1. теплообмену с окружающей средой

2. теплообмену с вращающейся мешалкой

3. совершению работы над жидкостью

4. совершению работы самой жидкостью

18. В процессе рабочего хода в двигателе внутреннего сгорания газы, образовавшиеся при сгорании топлива, расширяются и

1. охлаждаются

2. нагреваются

3. сначала нагреваются, потом охлаждаются

4. сначала охлаждаются, потом нагреваются

 

В-38 Гейзеры

Гейзеры располагаются вблизи действующих или недавно уснувших вулканов. Для извержения гейзеров необходима теплота, поступающая от вулканов.

Чтобы понять физику гейзеров, напомним, что температура кипения воды зависит от давления (см. рисунок).

 

Рис.1 Зависимость температуры кипения воды от давления (1 атм=10⁵ Па)

Представим себе 20-метровую гейзерную трубку, наполненную горячей водой. По мере увеличения глубины температура воды растет. Одновременно возрастает и давление - оно складывается из атмосферного давления и давления столба воды в трубке. При этом везде по длине трубки температура воды оказывается несколько ниже температуры кипения, соответствующей давлению на той или иной глубине. Теперь предположим, что по одному из боковых протоков в трубку поступила порция пара. Пар вошел в трубку и поднял воду до некоторого нового уровня, а часть воды вылилась из трубки в бассейн. При этом температура поднятой воды может оказаться выше температуры кипения при новом давлении, и вода немедленно закипает.

При кипении образуется пар, который еще выше поднимает воду, заставляя ее выливаться в бассейн. Давление на нижние слои воды уменьшается, так что закипает вся оставшаяся в трубке вода. В этот момент образуется большое количество пара; расширяясь, он с огромной скоростью устремляется вверх, выбрасывая остатки воды из трубки - происходит извержение гейзера.

Но вот весь пар вышел, трубка постепенно вновь заполняется охладившейся водой. Время от времени внизу слышатся взрывы - это в трубку из боковых протоков попадают порции пара. Однако очередной выброс воды начнется только тогда, когда вода в трубке нагреется до температуры, близкой к температуре кипения.

16. В каком агрегатном состоянии находится вода при температуре 110 °С?

1. только в твердом

2. только в жидком

3. только в газообразном

4. ответ зависит от внешнего давления

17. Какие утверждения справедливы?

А. Жидкость можно заставить закипеть, увеличивая внешнее давление при неизменной температуре.

Б. Жидкость можно заставить закипеть, увеличивая ее температуру при неизменном давлении.

1. только А

2. только Б

3. и А, и Б

4. ни А, ни Б

18. В гейзерную трубку из бокового протока поступила порция пара. Над паром остался столб воды высотой 10 м. Вода на этой глубине находится при температуре 121 °С. Атмосферное давление 10⁵ Па. При этом вода в трубке...

1. будет перемещаться вниз под действием атмосферного давления

2. останется в равновесии, так как её температура ниже температуры кипения

3. быстро охладится, так как её температура ниже температуры кипения на глубине 10 м

4. закипит, так как её температура выше температуры кипения при внешнем давлении 2∙10⁵ Па