Номер 2, страница 277 - гдз по физике 10 класс учебник часть 1 Генденштейн, Дик

Молекулярная физика и термодинамика. Глава 6. Термодинамика. Параграф 34. Примеры решения задач по термодинамике - номер 2, страница 277.

Условие.

2. Приведите пример процесса, при котором газ совершает работу, а его внутренняя энергия увеличивается.

Решение.

Решение

Для анализа процесса воспользуемся первым законом термодинамики, который связывает количество теплоты $\text{Q}$, сообщенное газу, изменение его внутренней энергии $\Delta U$ и работу $A_г$, совершаемую газом:

$Q = \Delta U + A_г$

Согласно условию задачи, должны выполняться два условия.

Первое условие: газ совершает работу. Это означает, что работа, совершаемая газом, положительна ($A_г > 0$). Работа газа положительна, когда он расширяется, то есть его объем увеличивается ($\Delta V > 0$).

Второе условие: внутренняя энергия газа увеличивается. Это означает, что изменение внутренней энергии положительно ($\Delta U > 0$). Для идеального газа внутренняя энергия является функцией только температуры ($U = \frac{i}{2}\nu R T$), поэтому увеличение внутренней энергии свидетельствует о повышении температуры газа ($\Delta T > 0$).

Подставив эти условия ($A_г > 0$ и $\Delta U > 0$) в уравнение первого закона термодинамики, получим, что количество теплоты, подведенное к газу, также должно быть положительным: $Q = \Delta U + A_г > 0$. Таким образом, искомый процесс должен включать в себя подведение теплоты к газу, причем количество этой теплоты должно быть достаточным не только для совершения работы, но и для увеличения внутренней энергии.

Простым и наглядным примером такого процесса является изобарное расширение (нагревание газа при постоянном давлении).

Представим себе газ в цилиндре под подвижным поршнем, который обеспечивает постоянство давления. Если начать подводить к этому газу тепло (нагревать его), то будут происходить следующие изменения:

- Газ будет расширяться, чтобы сохранить давление постоянным при росте температуры. Расширяясь, он будет толкать поршень, то есть совершать положительную работу ($A_г = P\Delta V > 0$).

- Подводимое тепло будет повышать температуру газа ($\Delta T > 0$), что, в свою очередь, приведет к увеличению его внутренней энергии ($\Delta U > 0$).

Таким образом, процесс изобарного нагревания газа полностью удовлетворяет условиям задачи.

Ответ: Примером процесса, в котором газ совершает работу, а его внутренняя энергия увеличивается, является изобарное расширение газа (нагревание при постоянном давлении). Конкретный пример: газ в цилиндре с подвижным поршнем нагревают с помощью горелки. Газ расширяется, двигая поршень (совершает работу), и его температура вместе с внутренней энергией растет.