Номер 5, страница 195 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

5. Каким способом может быть осуществлён изотермический процесс? Нужен ли при этом теплообмен газа с окружающей средой?

5. Изотермический процесс – это термодинамический процесс, протекающий в системе при постоянной температуре ($T = \text{const}$).

Для осуществления изотермического процесса необходимо выполнить два основных условия:

1. Процесс должен протекать достаточно медленно (квазистатически), чтобы в каждый момент времени температура во всех точках газа успевала выравниваться и оставаться равной температуре окружающей среды.

2. Газ должен находиться в хорошем тепловом контакте с большим телом, имеющим постоянную температуру (термостатом). Термостат имеет настолько большую теплоемкость, что может отдавать или поглощать тепло, не изменяя при этом своей температуры.

Рассмотрим это с точки зрения первого начала термодинамики: $Q = \Delta U + A$, где $\text{Q}$ – количество теплоты, переданное газу, $\Delta U$ – изменение его внутренней энергии, $\text{A}$ – работа, совершенная газом.

Внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры: $U = \frac{i}{2}\nu RT$. Поскольку в изотермическом процессе температура постоянна ($T = \text{const}$), изменение внутренней энергии равно нулю: $\Delta U = 0$. Тогда первое начало термодинамики для изотермического процесса принимает вид: $Q = A$.

Это уравнение показывает, что теплообмен с окружающей средой необходим.
• При изотермическом расширении газ совершает положительную работу ($A > 0$). Чтобы его температура не уменьшилась, ему необходимо передать извне точно такое же количество теплоты ($Q = A > 0$).
• При изотермическом сжатии над газом совершается работа (работа газа отрицательна, $A < 0$). Чтобы температура газа не увеличилась, газ должен отдать в окружающую среду эквивалентное количество теплоты ($Q = A < 0$).

Таким образом, теплообмен газа с окружающей средой является обязательным условием для осуществления изотермического процесса.

Ответ: Изотермический процесс может быть осуществлен путем медленного изменения объема газа, находящегося в хорошем тепловом контакте с термостатом (средой с постоянной температурой). Теплообмен газа с окружающей средой при этом обязателен: при расширении газ поглощает тепло, а при сжатии – отдает его.

6. Адиабатный процесс – это процесс, протекающий без теплообмена с окружающей средой ($Q = 0$).

Согласно первому началу термодинамики, $Q = \Delta U + A$. Для адиабатного процесса это уравнение упрощается до $\Delta U = -A$, где $\Delta U$ – изменение внутренней энергии газа, а $\text{A}$ – работа, совершаемая газом.

Внутренняя энергия идеального газа прямо пропорциональна его абсолютной температуре ($U \propto T$). Следовательно, изменение внутренней энергии $\Delta U$ приводит к изменению температуры $\Delta T$.

Рассмотрим два случая:

1. Адиабатное расширение. При расширении газ совершает положительную работу ($A > 0$) против внешних сил. Так как $\Delta U = -A$, то изменение внутренней энергии газа будет отрицательным ($\Delta U < 0$). Уменьшение внутренней энергии идеального газа означает уменьшение его температуры. Таким образом, при адиабатном расширении температура идеального газа уменьшается.

2. Адиабатное сжатие. При сжатии внешние силы совершают работу над газом, поэтому работа, совершаемая самим газом, отрицательна ($A < 0$). В этом случае изменение внутренней энергии $\Delta U = -A$ будет положительным ($\Delta U > 0$). Увеличение внутренней энергии идеального газа означает повышение его температуры. Таким образом, при адиабатном сжатии температура идеального газа увеличивается.

Эти процессы происходят, например, в двигателях внутреннего сгорания или при накачивании шины насосом (сжатие воздуха приводит к его нагреву).

Ответ: При адиабатном процессе температура идеального газа меняется. При адиабатном расширении газ совершает работу за счет своей внутренней энергии, поэтому его температура падает. При адиабатном сжатии работа совершается над газом, его внутренняя энергия увеличивается, и температура растет.