а) Вода и водяной пар, имея равную температуру, например 100°С, различаются расположением молекул. Одинакова ли внутренняя энергия пара и воды? Почему?
б) Холодная и горячая вода состоит из одинаковых молекул. Одинакова ли внутренняя энергия одной и той же массы воды в этих состояниях? Почему?

Для того чтобы рассмотреть вопросы, связанные с внутренней энергией воды и водяного пара, важно понимать, что внутренняя энергия — это сумма кинетической энергии движения молекул и потенциальной энергии их взаимодействия.

Внутренняя энергия вещества определяется следующими факторами:
1. Температура — определяет кинетическую энергию молекул. Чем выше температура, тем быстрее движутся молекулы, и тем больше их кинетическая энергия.
2. Состояние вещества — в зависимости от того, находится вещество в твёрдом, жидком или газообразном состоянии, молекулы имеют разное расположение и взаимодействие между собой, что влияет на потенциальную энергию.
3. Масса вещества — при одинаковых условиях, чем больше масса вещества, тем больше его внутренняя энергия, поскольку она зависит от количества молекул.

Теоретическая основа для сравнения воды и водяного пара при одинаковой температуре

Когда вода и водяной пар находятся при температуре $100^\circ$C, кинетическая энергия молекул в обоих состояниях будет одинаковой, так как температура определяет скорость движения молекул. Однако, в этих двух состояниях есть различия в потенциальной энергии.

• В жидкой воде: молекулы расположены близко друг к другу, между ними действуют силы притяжения (водородные связи). Поэтому часть внутренней энергии жидкой воды связана с потенциальной энергией взаимодействия молекул.
• В водяном паре: молекулы находятся значительно дальше друг от друга и силы притяжения между ними практически отсутствуют. Потенциальная энергия взаимодействия молекул пара минимальна, но есть энергия, затраченная на разрыв связей при переходе из жидкого состояния в газообразное. Эта энергия называется скрытой теплотой парообразования.

Таким образом, внутренняя энергия водяного пара при температуре $100^\circ$C больше, чем внутренняя энергия воды при той же температуре, поскольку в процессе парообразования энергия расходуется на преодоление межмолекулярных сил.

Теоретическая основа для сравнения горячей и холодной воды

Горячая и холодная вода состоят из одних и тех же молекул, но имеют разную температуру. Температура напрямую связана с кинетической энергией молекул: чем выше температура, тем быстрее движутся молекулы, и тем больше их кинетическая энергия.

• В горячей воде: молекулы движутся быстрее, кинетическая энергия выше. В результате внутренняя энергия вещества больше.
• В холодной воде: молекулы движутся медленнее, кинетическая энергия ниже. Внутренняя энергия вещества меньше.

Поскольку внутренняя энергия вещества — это сумма кинетической и потенциальной энергии, в данном случае различия в температуре определяют различия во внутренней энергии. Чем выше температура воды, тем больше её внутренняя энергия.