Question

В неглубоком сосуде наблюдают установившийся процесс кипения воды. Со дна сосуда к поверхности поднимается газовый пузырёк водяного пара. Как изменяются при подъёме пузырька внутренняя энергия водяного пара в нём и его температура?

Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:
1) увеличивается;
2) уменьшается;
3) не изменяется.

| Внутренняя энергия водяного пара в пузырьке | Температура водяного пара |
|---|---|
| | |

Accepted Answer

13

Answer

Идея решения: при подъёме пузырька давление газа внутри него уменьшается, что приводит к адиабатному расширению пара с охлаждением, однако температура кипения остаётся постоянной.

При кипении в открытом сосуде давление внутри пузырька равно атмосферному давлению на данной глубине. По мере подъёма пузырька к поверхности внешнее давление уменьшается, следовательно, давление газа в пузырьке также снижается.

При адиабатном расширении газа (процесс происходит достаточно быстро, теплообмен с окружающей жидкостью пренебрежимо мал) объём пара увеличивается, а температура понижается. Однако водяной пар остаётся насыщенным — он находится в равновесии с жидкой водой в пузырьке. Температура насыщенного пара зависит только от давления: при уменьшении давления температура кипения уменьшается.

Таким образом:
- **Температура** водяного пара в пузырьке **уменьшается** (следует из зависимости температуры кипения от давления).
- **Внутренняя энергия** пара при охлаждении **уменьшается** (так как $U$ зависит от температуры).

Однако следует учесть, что часть жидкой воды в пузырьке испаряется при расширении. Энергия, необходимая для испарения, берётся из внутренней энергии уже имеющегося пара, что приводит к дополнительному снижению температуры. Но в целом, поскольку температура пара падает, внутренняя энергия единицы массы пара уменьшается.

При более внимательном анализе: внутренняя энергия пара на единицу массы уменьшается из-за охлаждения. Однако если рассматривать полную внутреннюю энергию всего содержимого пузырька (пар + жидкость), то при испарении дополнительной жидкости общая внутренняя энергия может возрасти. Но в стандартной интерпретации задачи речь идёт о пара как газе: его внутренняя энергия уменьшается при охлаждении.

Пересмотрев логику: при адиабатном расширении пара без притока тепла внутренняя энергия уменьшается (газ совершает работу против внешнего давления). Температура также уменьшается.

Задание №10Молекулярная физика и термодинамикаЕГЭ по физике