Групповое задание, страница 258 - гдз по физике 10 класс учебник часть 1 Генденштейн, Дик

Молекулярная физика и термодинамика. Глава 6. Термодинамика. Параграф 31. Внутренняя энергия. Первый закон термодинамики - страница 258.

Условие.

Групповое задание

Разделитесь на четыре группы. Представитель первой группы рассказывает о применении первого закона термодинамики к изобарному процессу, представитель второй — к изохорному, представитель третьей — к изотермическому, а представитель четвёртой — к адиабатному.

Решение.

Решение

Первый закон термодинамики, также известный как закон сохранения энергии для термодинамических систем, гласит, что количество теплоты $\text{Q}$, переданное системе, идет на изменение ее внутренней энергии $\Delta U$ и на совершение системой работы $\text{A}$ над внешними телами. Математически это выражается формулой:

$Q = \Delta U + A$

Рассмотрим применение этого закона к различным изопроцессам в идеальном газе.

Применение первого закона термодинамики к изобарному процессу

Изобарный процесс — это процесс, протекающий при постоянном давлении ($p = \text{const}$).

В этом случае все члены первого закона термодинамики, как правило, не равны нулю. Количество теплоты $\text{Q}$ передается газу (или отводится от него), его внутренняя энергия $\Delta U$ изменяется, и газ совершает работу $\text{A}$. Работа газа при изобарном процессе вычисляется по формуле $A = p \Delta V = p(V_2 - V_1)$, где $\Delta V$ — изменение объема газа.

Таким образом, первый закон термодинамики для изобарного процесса записывается в виде:

$Q = \Delta U + p \Delta V$

Это означает, что подводимое к газу тепло расходуется и на увеличение его внутренней энергии (что приводит к повышению температуры), и на совершение работы при расширении.

Ответ: При изобарном процессе ($p = \text{const}$) подводимое к системе количество теплоты $\text{Q}$ идет как на изменение ее внутренней энергии $\Delta U$, так и на совершение системой работы $A = p \Delta V$. Первый закон термодинамики имеет вид: $Q = \Delta U + p \Delta V$.

Применение первого закона термодинамики к изохорному процессу

Изохорный процесс — это процесс, протекающий при постоянном объеме ($V = \text{const}$).

Поскольку объем газа не меняется ($\Delta V = 0$), работа газа равна нулю: $A = p \Delta V = 0$.

Следовательно, первый закон термодинамики для изохорного процесса принимает более простой вид:

$Q = \Delta U$

Это означает, что все количество теплоты, переданное газу при постоянном объеме, идет только на увеличение его внутренней энергии. Это приводит к росту температуры и давления газа.

Ответ: При изохорном процессе ($V = \text{const}$) газ не совершает работу ($A=0$), поэтому все переданное ему количество теплоты $\text{Q}$ идет на изменение его внутренней энергии $\Delta U$. Первый закон термодинамики имеет вид: $Q = \Delta U$.

Применение первого закона термодинамики к изотермическому процессу

Изотермический процесс — это процесс, протекающий при постоянной температуре ($T = \text{const}$).

Внутренняя энергия идеального газа является функцией только его температуры. Так как температура в изотермическом процессе не изменяется ($\Delta T = 0$), то и изменение внутренней энергии идеального газа равно нулю: $\Delta U = 0$.

Тогда первый закон термодинамики для изотермического процесса записывается как:

$Q = A$

Это означает, что все количество теплоты, переданное газу, полностью превращается в работу, совершаемую газом над внешними телами. Чтобы температура газа оставалась постоянной при расширении (когда газ совершает положительную работу), к нему необходимо подводить тепло.

Ответ: При изотермическом процессе ($T = \text{const}$) внутренняя энергия идеального газа не изменяется ($\Delta U = 0$). Поэтому все переданное газу количество теплоты $\text{Q}$ идет на совершение им работы $\text{A}$. Первый закон термодинамики имеет вид: $Q = A$.

Применение первого закона термодинамики к адиабатному процессу

Адиабатный процесс — это процесс, протекающий без теплообмена с окружающей средой ($Q = 0$). Такой процесс происходит в теплоизолированной системе или протекает очень быстро, так что теплообмен не успевает произойти.

По определению адиабатного процесса, $Q = 0$. Подставляя это значение в первый закон термодинамики, получаем:

$0 = \Delta U + A$

Отсюда следует, что работа совершается за счет изменения внутренней энергии:

$A = -\Delta U$

Это означает, что при адиабатном расширении ($A > 0$) газ совершает работу за счет уменьшения своей внутренней энергии ($\Delta U < 0$), что приводит к его охлаждению. При адиабатном сжатии ($A < 0$) работа внешних сил идет на увеличение внутренней энергии газа ($\Delta U > 0$), что приводит к его нагреву.

Ответ: При адиабатном процессе ($Q = 0$) система не обменивается теплотой с окружающей средой. Работа $\text{A}$ совершается системой только за счет убыли ее внутренней энергии $\Delta U$. Первый закон термодинамики имеет вид: $A = -\Delta U$.