Номер 6, страница 257 - гдз по физике 10 класс учебник часть 1 Генденштейн, Дик

Молекулярная физика и термодинамика. Глава 6. Термодинамика. Параграф 31. Внутренняя энергия. Первый закон термодинамики - номер 6, страница 257.

Условие.

6. Расскажите о первом законе термодинамики.

Решение.

6. Первый закон термодинамики, также известный как первое начало термодинамики, представляет собой закон сохранения энергии, примененный к термодинамическим системам. Он устанавливает соотношение между изменением внутренней энергии системы, количеством теплоты, переданным системе, и работой, совершенной системой.

Словесная формулировка закона: количество теплоты, переданное системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение системой работы над внешними телами.

Математически первый закон термодинамики выражается следующей формулой:

$Q = \Delta U + A$

где:

$\text{Q}$ – количество теплоты, полученное системой от окружающей среды. Если система получает тепло, $Q > 0$. Если система отдает тепло, $Q < 0$.

$\Delta U$ – изменение внутренней энергии системы ($U_{2} - U_{1}$). Если внутренняя энергия увеличивается (например, при нагревании), $\Delta U > 0$. Если уменьшается (например, при охлаждении), $\Delta U < 0$. Для идеального газа внутренняя энергия зависит только от температуры.

$\text{A}$ – работа, совершаемая системой над внешними телами. Если система совершает работу (например, газ расширяется), $A > 0$. Если над системой совершается работа (например, газ сжимают), $A < 0$.

Физический смысл первого закона термодинамики заключается в том, что энергия не может быть создана из ничего или уничтожена; она может только переходить из одной формы в другую. Этот закон постулирует невозможность создания вечного двигателя первого рода – устройства, которое совершало бы работу без потребления энергии извне.

Применение первого закона термодинамики к изопроцессам в идеальном газе:

Изохорный процесс ($V = \text{const}$): Объем газа не меняется, следовательно, работа не совершается ($A=0$). Закон принимает вид: $Q = \Delta U$. Вся подведенная к газу теплота идет на увеличение его внутренней энергии.

Изотермический процесс ($T = \text{const}$): Температура газа постоянна, а значит, внутренняя энергия идеального газа не изменяется ($\Delta U=0$). Закон принимает вид: $Q = A$. Вся подведенная к газу теплота превращается в работу, совершаемую газом.

Изобарный процесс ($p = \text{const}$): Давление газа постоянно. В этом случае все три величины в уравнении отличны от нуля: $Q = \Delta U + A$. Подведенная теплота расходуется и на увеличение внутренней энергии, и на совершение работы газом ($A = p\Delta V$).

Адиабатный процесс ($Q = 0$): Процесс происходит без теплообмена с окружающей средой. Закон принимает вид: $\Delta U = -A$. Работа совершается системой за счет уменьшения ее внутренней энергии. При адиабатном расширении ($A > 0$) газ охлаждается ($\Delta U < 0$), а при адиабатном сжатии ($A < 0$) – нагревается ($\Delta U > 0$).

Ответ: Первый закон термодинамики является формулировкой закона сохранения энергии для термодинамических систем и утверждает, что теплота, подведенная к системе, расходуется на изменение ее внутренней энергии и на совершение работы системой ($Q = \Delta U + A$).