Номер 1, страница 137 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

1. Приведите примеры изотермических процессов в природе и технике.

Изотермический процесс — это термодинамический процесс, который происходит в физической системе при постоянной температуре. Математически это условие записывается как $T = \text{const}$ или $\Delta T = 0$. Для идеального газа, подчиняющегося уравнению состояния Менделеева — Клапейрона, при изотермическом процессе произведение давления $\text{p}$ на объём $\text{V}$ остаётся постоянным, что выражается законом Бойля — Мариотта: $pV = \text{const}$.

Для того чтобы процесс был изотермическим, необходимо, чтобы система находилась в тепловом контакте с большим резервуаром (термостатом), который может отводить или подводить тепло так, чтобы температура системы не изменялась. Кроме того, сам процесс изменения состояния (например, сжатие или расширение) должен протекать достаточно медленно, чтобы система успевала прийти в тепловое равновесие с термостатом.

Примеры изотермических процессов в природе

1. Фазовые переходы вещества. Процессы плавления, кристаллизации, кипения, конденсации при постоянном внешнем давлении являются изотермическими. Например, таяние льда происходит строго при температуре 0 °C (при нормальном атмосферном давлении), и пока весь лед не превратится в воду, температура системы «лед-вода» не изменится, несмотря на подводимое тепло.

2. Медленное изменение объема газа в большом резервуаре. Классический пример — пузырек воздуха, медленно поднимающийся со дна большого и глубокого водоема (озера, моря). Окружающая вода имеет огромную теплоемкость и выполняет роль термостата. По мере подъема внешнее давление на пузырек уменьшается, его объем увеличивается. Если подъем достаточно медленный, пузырек успевает обмениваться теплотой с водой и его температура остается практически постоянной.

3. Дыхание. С некоторой степенью приближения процессы вдоха и выдоха воздуха у теплокровных животных можно считать изотермическими. Организм поддерживает постоянную температуру тела, и вдыхаемый воздух быстро нагревается до этой температуры, а при выдохе его температура также остается близкой к температуре тела.

Примеры изотермических процессов в технике

1. Работа компрессоров. При сжатии газа в поршневом компрессоре его температура повышается. Чтобы процесс был близок к изотермическому (что энергетически более выгодно), применяют специальные системы охлаждения. Например, цилиндры компрессоров оснащают ребрами для лучшего отвода тепла в атмосферу или используют водяное охлаждение. Процесс сжатия при этом стараются проводить медленно.

2. Тепловые двигатели. Изотермические процессы являются частью идеализированных термодинамических циклов. Например, в цикле Карно, который описывает предельно возможный КПД тепловой машины, есть два изотермических процесса: изотермическое расширение рабочего тела (газа) при контакте с горячим источником (нагревателем) и изотермическое сжатие при контакте с холодным источником (холодильником).

3. Холодильные установки и кондиционеры. В испарителе холодильной машины происходит кипение хладагента (например, фреона) при низком давлении. Этот процесс, как и любое кипение, является изотермическим. Во время кипения хладагент поглощает большое количество теплоты из холодильной камеры, обеспечивая ее охлаждение.

4. Медленный выпуск газа из баллона. Если газ выпускать из большого металлического баллона очень медленно, то баллон и находящийся в нем газ будут успевать обмениваться теплотой с окружающей средой, и температура газа внутри будет оставаться практически постоянной.

Ответ: Примерами изотермических процессов в природе являются фазовые переходы веществ (таяние льда, кипение воды при постоянном давлении) и медленное расширение пузырька воздуха, поднимающегося со дна водоема. В технике изотермические процессы встречаются при работе компрессоров с системой охлаждения, в идеализированных циклах тепловых двигателей (цикл Карно), а также в испарителях холодильных установок.