Номер 2, страница 187 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

2. К каким системам применим закон сохранения энергии?

1. В чём заключается смысл закона сохранения энергии?

Закон сохранения энергии — это один из фундаментальных законов природы, который утверждает, что полная энергия изолированной системы остаётся постоянной с течением времени. Смысл этого закона заключается в том, что энергия не может быть создана из ничего или уничтожена бесследно. Она может только переходить из одной формы в другую или передаваться от одного тела к другому.

Существуют различные виды энергии:

• Кинетическая энергия (энергия движения)
• Потенциальная энергия (энергия взаимодействия или положения)
• Тепловая (внутренняя) энергия (энергия хаотического движения и взаимодействия частиц)
• Химическая энергия
• Электрическая энергия
• Ядерная энергия

Закон сохранения энергии связывает все эти формы. Например, при падении камня его потенциальная энергия, обусловленная высотой над землёй, превращается в кинетическую энергию движения. При ударе о землю эта механическая энергия переходит во внутреннюю энергию (камень и земля немного нагреваются) и энергию звуковых волн. Однако суммарное количество энергии во всех её формах остаётся неизменным. Этот принцип лежит в основе всей современной физики, химии и техники.

Ответ: Смысл закона сохранения энергии в том, что энергия никуда не исчезает и не возникает из ничего; она лишь преобразуется из одной формы в другую или передаётся между телами, при этом её полное количество в замкнутой системе всегда сохраняется.

2. К каким системам применим закон сохранения энергии?

Закон сохранения энергии является всеобщим и фундаментальным, поэтому в своей полной форме он применим абсолютно ко всем системам. Однако на практике его применение зависит от того, как определена система и какие формы энергии учитываются.

• Изолированные (замкнутые) системы: Это системы, которые не обмениваются с окружающей средой ни веществом, ни энергией. Для таких систем закон сохранения энергии выполняется строго: их полная энергия (сумма всех видов энергии) остаётся постоянной. $E_{полная} = const$. Понятие изолированной системы является идеализацией, но хорошо применимо, например, ко Вселенной в целом.
• Неизолированные (открытые) системы: Это системы, которые обмениваются с окружающей средой энергией и/или веществом. Энергия такой системы может изменяться. Однако, если рассмотреть расширенную систему, включающую в себя и саму систему, и её окружение, с которым происходит обмен, то эта новая, более крупная система будет изолированной, и для неё закон сохранения энергии будет выполняться. Изменение энергии в открытой системе равно потоку энергии через её границы.
• Консервативные системы (в механике): Это частный случай, где выполняется закон сохранения механической энергии. Механическая энергия (сумма кинетической и потенциальной) сохраняется только в тех системах, где работа неконсервативных сил (таких как сила трения или сопротивления воздуха) равна нулю или этими силами можно пренебречь.

Таким образом, выбор системы определяет, в какой форме будет применяться закон.

Ответ: Закон сохранения энергии в своей полной формулировке применим к любым системам. Для изолированных систем он постулирует постоянство их полной энергии. Для неизолированных систем изменение их энергии равно обмену энергией с окружающей средой, и закон выполняется для объединённой системы "система + окружение".

3. Как формулируется первый закон термодинамики?

Первый закон термодинамики (также называемый первым началом термодинамики) является применением общего закона сохранения энергии к термодинамическим системам. Он устанавливает связь между изменением внутренней энергии системы, количеством теплоты, сообщённым системе, и работой, совершённой системой.

Существует несколько эквивалентных формулировок:

1. Формулировка через количество теплоты: Количество теплоты ($\text{Q}$), переданное системе, идёт на изменение её внутренней энергии ($\Delta U$) и на совершение системой работы ($\text{A}$) над внешними телами.
   Математически это выражается формулой:
   $Q = \Delta U + A$
   Где:
   • $Q > 0$, если теплота подводится к системе; $Q < 0$, если отводится.
   • $\Delta U$ — изменение внутренней энергии системы. Внутренняя энергия — это сумма кинетической энергии теплового движения частиц и потенциальной энергии их взаимодействия.
   • $A > 0$, если система совершает работу (например, газ расширяется); $A < 0$, если над системой совершают работу (газ сжимают).
2. Формулировка через изменение внутренней энергии: Изменение внутренней энергии ($\Delta U$) системы равно сумме количества теплоты ($\text{Q}$), сообщённого системе, и работы ($A_{внешн}$), совершённой над системой внешними силами.
   $ \Delta U = Q + A_{внешн} $
   Эта формулировка эквивалентна первой, так как работа, совершённая над системой, равна работе, совершённой системой, с обратным знаком: $A_{внешн} = -A$.
3. Формулировка через вечный двигатель: Невозможно создать вечный двигатель первого рода — устройство, которое совершало бы работу, не черпая энергию из какого-либо источника и не уменьшая свою внутреннюю энергию. Это утверждение прямо следует из закона сохранения энергии: нельзя получить работу из ничего.

Ответ: Первый закон термодинамики формулируется так: количество теплоты, переданное системе, расходуется на изменение её внутренней энергии и на совершение системой работы над внешними телами. Формула: $Q = \Delta U + A$.