Номер 3, страница 187 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

3. Как формулируется первый закон термодинамики?

3. Как формулируется первый закон термодинамики?

Решение:

Первый закон термодинамики, также известный как первое начало термодинамики, представляет собой обобщение закона сохранения энергии для термодинамических систем. Он устанавливает связь между изменением внутренней энергии системы, количеством теплоты, переданной системе, и работой, совершаемой над системой или самой системой.

Существует несколько эквивалентных формулировок этого закона.

Первая формулировка гласит: изменение внутренней энергии ($ \Delta U $) системы при переходе из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил ($ A' $) и количества теплоты ($\text{Q}$), переданного системе. Математически это записывается как:

$ \Delta U = Q + A' $

В этой формуле приняты следующие соглашения о знаках: $ \Delta U $ — изменение внутренней энергии системы (если $ \Delta U > 0 $, внутренняя энергия увеличивается); $\text{Q}$ — количество теплоты (если теплота подводится к системе, то $ Q > 0 $); $ A' $ — работа, совершаемая внешними силами над системой (если внешние силы совершают работу над системой, например, сжимая газ, то $ A' > 0 $).

Вторая, альтернативная, формулировка: количество теплоты ($\text{Q}$), переданное системе, идет на изменение ее внутренней энергии ($ \Delta U $) и на совершение системой работы ($\text{A}$) над внешними телами. Эта формулировка чаще используется в технической термодинамике. Её математическое выражение:

$ Q = \Delta U + A $

Здесь $\text{A}$ — это работа, совершаемая самой системой над внешними телами. Связь между работами $\text{A}$ и $ A' $ простая: $ A = -A' $. Соответственно, если система совершает работу (например, расширяется), то $ A > 0 $.

Важным следствием первого закона термодинамики является невозможность создания вечного двигателя первого рода — устройства, которое совершало бы работу без потребления энергии (теплоты) извне и без изменения своей внутренней энергии.

Ответ:

Первый закон термодинамики гласит, что изменение внутренней энергии системы ($ \Delta U $) равно сумме количества теплоты, переданного системе ($\text{Q}$), и работы, совершенной над ней внешними силами ($ A' $), что выражается формулой $ \Delta U = Q + A' $. Альтернативная формулировка: количество теплоты ($\text{Q}$), переданное системе, расходуется на изменение ее внутренней энергии ($ \Delta U $) и на совершение системой работы ($\text{A}$) над внешними телами: $ Q = \Delta U + A $. Закон является выражением закона сохранения энергии для термодинамических процессов.

4. К каким системам применим первый закон термодинамики?

Решение:

Первый закон термодинамики является фундаментальным законом природы, одним из трех основных начал термодинамики. В силу своей фундаментальности он имеет универсальный характер и применим к любым макроскопическим системам, независимо от их внутреннего строения и природы происходящих в них процессов.

Применимость закона распространяется на все типы термодинамических систем. К закрытым системам, которые обмениваются с окружающей средой энергией, но не веществом, закон применяется в своей классической формулировке $ \Delta U = Q + A' $. Для открытых систем, обменивающихся и энергией, и веществом, первый закон также справедлив, но его уравнение дополняется членами, учитывающими энергию, переносимую массой. Для изолированных систем, которые не обмениваются с окружающей средой ни энергией, ни веществом ($ Q = 0 $, $ A' = 0 $), из первого закона следует, что их внутренняя энергия постоянна ($ \Delta U = 0 $). Это утверждение само по себе является частным случаем закона сохранения энергии.

Таким образом, первый закон термодинамики применим абсолютно ко всем системам — закрытым, открытым и изолированным, а также к любым процессам, которые в них протекают, будь то равновесные или неравновесные переходы.

Ответ:

Первый закон термодинамики является универсальным и применим ко всем без исключения макроскопическим системам: закрытым (обмен только энергией), открытым (обмен энергией и веществом) и изолированным (нет обмена ни энергией, ни веществом). Для каждого типа систем закон остается справедливым, хотя его математическая запись может видоизменяться для учета всех форм обмена энергией с окружающей средой.