Номер 6, страница 289 - гдз по физике 10 класс учебник часть 1 Генденштейн, Дик

Молекулярная физика и термодинамика. Глава 6. Термодинамика. Вопросы и задачи к главе «термодинамика» - номер 6, страница 289.

Условие.

6. Газу передаётся некоторое количество теплоты. Может ли температура газа при этом понижаться?

Решение.

Решение

Да, температура газа может понижаться, даже если ему передается некоторое количество теплоты. Это явление можно объяснить с помощью первого закона термодинамики.

Первый закон термодинамики гласит, что количество теплоты $\text{Q}$, переданное системе (газу), расходуется на изменение ее внутренней энергии $\Delta U$ и на совершение системой работы $\text{A}$ над внешними телами:

$Q = \Delta U + A$

Изменение внутренней энергии идеального газа прямо пропорционально изменению его температуры ($\Delta U \sim \Delta T$). Следовательно, понижение температуры газа означает, что изменение его внутренней энергии отрицательно, то есть $\Delta U < 0$.

По условию задачи, газу передается теплота, значит, $Q > 0$.

Чтобы при положительном значении $\text{Q}$ изменение внутренней энергии $\Delta U$ было отрицательным, необходимо выполнение следующего условия, вытекающего из первого закона термодинамики:

$\Delta U = Q - A < 0$

Это неравенство выполняется, если работа, совершаемая газом, будет больше, чем полученное им количество теплоты:

$A > Q$

Физически это означает, что газ должен расширяться и совершать работу. Если газ расширяется достаточно интенсивно, то работа, которую он совершает, может превысить количество подводимой к нему теплоты. В этом случае работа совершается не только за счет полученной энергии извне, но и за счет собственной внутренней энергии газа. "Трата" внутренней энергии и приводит к понижению температуры.

Простой пример — адиабатное расширение, при котором теплообмен с окружающей средой отсутствует ($Q=0$). Газ совершает работу только за счет своей внутренней энергии ($\Delta U = -A$), что всегда ведет к его охлаждению. Если же в процессе расширения подводить к газу небольшое количество теплоты ($Q>0$), но такое, что работа расширения все равно будет больше ($A>Q$), газ все равно будет охлаждаться.

Ответ: Да, может. Это произойдет в том случае, если газ будет расширяться и совершать работу, величина которой превосходит полученное им количество теплоты ($A > Q$). В этом случае работа будет совершаться не только за счет полученной теплоты, но и за счет внутренней энергии газа, что приведет к ее уменьшению и, как следствие, к понижению температуры.