Номер 30, страница 7 - гдз по физике 8 класс сборник задач Исаченкова, Слесарь

Почему газ в цилиндре с поршнем (рис. 2) расширяется при нагревании?

При нагревании газу сообщается тепловая энергия, которая увеличивает его внутреннюю энергию. Для идеального газа внутренняя энергия представляет собой суммарную кинетическую энергию хаотического движения его молекул. Вследствие этого молекулы газа начинают двигаться с большей средней скоростью. Они чаще и с большей силой сталкиваются со стенками цилиндра и с внутренней поверхностью поршня. Совокупное действие этих ударов создает давление газа. Увеличение скорости и частоты ударов молекул приводит к росту давления газа внутри цилиндра. Сила давления газа на поршень ($F_{газа} = P_{газа} \cdot S$, где $\text{S}$ - площадь поршня) становится больше, чем сумма сил, действующих на поршень снаружи — силы атмосферного давления ($F_{атм} = P_{атм} \cdot S$) и силы тяжести поршня ($\text{mg}$). Возникающая избыточная сила, направленная вверх, заставляет поршень подниматься. Подъем поршня увеличивает объем, занимаемый газом. Процесс расширения при постоянном внешнем давлении называется изобарным и описывается законом Гей-Люссака, согласно которому объем газа прямо пропорционален его абсолютной температуре: $\frac{V}{T} = const$. Таким образом, при росте температуры $\text{T}$ объем газа $\text{V}$ также увеличивается.

Ответ: При нагревании увеличивается кинетическая энергия молекул газа, что приводит к увеличению давления внутри цилиндра. Возросшая сила давления газа толкает поршень вверх, увеличивая объем газа.

Будет ли расширение газа неограниченным, если полностью устранить трение поршня о стенки цилиндра?

Нет, расширение газа не будет неограниченным даже при полном отсутствии трения. На поршень снаружи действуют две силы, препятствующие его движению вверх: сила тяжести самого поршня и сила, обусловленная атмосферным давлением. Газ будет расширяться до тех пор, пока его давление не уравновесит внешнее давление, создаваемое этими двумя силами. Для того чтобы поршень находился в равновесии, давление газа внутри должно быть равно сумме атмосферного давления и давления, создаваемого весом поршня: $P_{газа} = P_{атм} + \frac{mg}{S}$. Таким образом, расширение ограничено необходимостью преодолевать постоянное внешнее давление. Кроме того, самым очевидным ограничением является конечный объем самого цилиндра — поршень не может подняться выше его верхнего края. Для неограниченного расширения потребовался бы бесконечно длинный цилиндр и бесконечное количество подводимого тепла, что физически невозможно.

Ответ: Нет, расширение не будет неограниченным. Оно ограничено внешним атмосферным давлением, весом поршня, а также конечными размерами цилиндра.