Номер 4, страница 195 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

4. Какой процесс изменения состояния газа называется адиабатным? Как этот процесс может быть осуществлён?

Как изменяется внутренняя энергия идеального газа при изобарном сжатии?

Внутренняя энергия идеального газа $\text{U}$ является функцией его температуры и определяется формулой $U = \frac{i}{2}\nu RT$, где $\text{i}$ — число степеней свободы, $\nu$ — количество вещества, а $\text{R}$ — универсальная газовая постоянная. Таким образом, изменение внутренней энергии напрямую связано с изменением температуры газа.

Изобарный процесс — это процесс, протекающий при постоянном давлении ($p = \text{const}$). Сжатие означает уменьшение объема газа ($V_2 < V_1$).

Воспользуемся уравнением состояния идеального газа (уравнением Клапейрона-Менделеева) $pV = \nu RT$. Для изобарного процесса это уравнение можно представить в виде закона Гей-Люссака: $\frac{V}{T} = \text{const}$.

Из этого закона следует, что объем и температура прямо пропорциональны. Если объем газа уменьшается в ходе сжатия, то его температура также должна уменьшиться, чтобы соотношение $\frac{V}{T}$ оставалось постоянным. То есть, если $V_2 < V_1$, то и $T_2 < T_1$.

Так как внутренняя энергия идеального газа зависит только от его температуры, то при уменьшении температуры внутренняя энергия газа также уменьшается ($\Delta U < 0$).

Ответ: При изобарном сжатии идеального газа его объем уменьшается, что приводит к уменьшению его температуры. Вследствие этого внутренняя энергия газа уменьшается.

4. Какой процесс изменения состояния газа называется адиабатным? Как этот процесс может быть осуществлён?

Адиабатным (или адиабатическим) называется процесс, который происходит в термодинамической системе без теплообмена с окружающей средой. Для такого процесса количество переданной или полученной теплоты $\text{Q}$ равно нулю ($Q=0$).

Первое начало термодинамики, которое гласит $Q = \Delta U + A$ (где $\Delta U$ — изменение внутренней энергии, $\text{A}$ — работа, совершаемая системой), для адиабатного процесса принимает вид $A = -\Delta U$. Это означает, что работа совершается системой исключительно за счет уменьшения ее внутренней энергии, или внутренняя энергия системы увеличивается за счет работы, совершаемой над ней. Так, при адиабатном расширении газ совершает работу, его внутренняя энергия и температура уменьшаются. При адиабатном сжатии над газом совершается работа, его внутренняя энергия и температура растут.

На практике адиабатный процесс можно осуществить двумя способами:

1. Использование теплоизоляции. Систему помещают в оболочку, которая плохо проводит тепло (например, сосуд Дьюара с вакуумной прослойкой, толстый слой пенопласта или асбеста). Идеальная теплоизоляция невозможна, но можно добиться состояния, очень близкого к адиабатному.

2. Быстрое протекание процесса. Теплообмен — это процесс, требующий времени. Если процесс сжатия или расширения происходит очень быстро, то система не успевает обменяться с окружающей средой значительным количеством теплоты. Такие процессы можно считать адиабатными. Примерами могут служить распространение звуковых волн, работа двигателей внутреннего сгорания, быстрое расширение газа при выходе из баллона.

Ответ: Адиабатный процесс — это процесс без теплообмена с окружающей средой ($Q=0$). Его можно осуществить, либо поместив систему в теплоизолированную оболочку, либо проведя процесс настолько быстро, чтобы теплообмен не успел произойти.

5. Каким способом может быть осуществлён изотермический процесс?

Изотермическим называется процесс, который протекает при постоянной температуре системы ($T = \text{const}$).

Для того чтобы температура системы оставалась постоянной в ходе процесса, необходимо соблюдение двух ключевых условий:

1. Система должна находиться в непрерывном тепловом контакте с термостатом — телом очень большой теплоемкости, которое может поглощать или отдавать тепло, не изменяя при этом своей температуры. В качестве термостата может выступать, например, большой резервуар с водой или атмосфера.

2. Процесс должен протекать очень медленно (квазистатически). Это нужно для того, чтобы система в каждый момент времени успевала обмениваться теплотой с термостатом и поддерживать с ним тепловое равновесие. При медленном расширении газ будет получать тепло от термостата, компенсируя охлаждение из-за совершения работы. При медленном сжатии газ будет отдавать избыточное тепло термостату, чтобы не допустить своего нагревания из-за совершаемой над ним работы.

Для идеального газа, внутренняя энергия которого зависит только от температуры, в изотермическом процессе $\Delta U = 0$. Тогда из первого начала термодинамики ($Q = \Delta U + A$) следует, что $Q=A$. То есть вся подводимая к газу теплота идет на совершение им работы.

Ответ: Изотермический процесс можно осуществить, если система находится в хорошем тепловом контакте с термостатом (резервуаром постоянной температуры), а сам процесс протекает достаточно медленно, чтобы успевал происходить теплообмен, поддерживающий температуру системы постоянной.