Номер 3, страница 231 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

3. Приведите примеры применения первого закона термодинамики для описания процессов, протекающих в природе.

Первый закон термодинамики является формулировкой закона сохранения энергии для термодинамических систем. Он утверждает, что количество теплоты $\text{Q}$, сообщённое системе, идёт на изменение её внутренней энергии $\Delta U$ и на совершение системой работы $\text{A}$ над внешними телами. Математически это выражается формулой: $Q = \Delta U + A$. Этот закон находит широкое применение для описания разнообразных природных явлений.

1. Образование облаков и выпадение осадков

Нагретый солнечными лучами влажный воздух у поверхности Земли имеет меньшую плотность и поэтому поднимается вверх. С высотой атмосферное давление падает, и поднимающийся объём воздуха расширяется, совершая работу $\text{A}$ над окружающим воздухом ($A > 0$). Этот процесс происходит достаточно быстро, поэтому теплообмен с окружающей средой незначителен, и его можно считать адиабатическим ($Q \approx 0$). Согласно первому закону термодинамики, для адиабатического процесса $\Delta U = -A$. Поскольку работа расширения $\text{A}$ положительна, изменение внутренней энергии воздуха $\Delta U$ будет отрицательным. Уменьшение внутренней энергии идеального газа приводит к понижению его температуры. Когда температура воздуха опускается до точки росы, содержащийся в нём водяной пар начинает конденсироваться в мельчайшие капельки воды или кристаллики льда, из которых и формируются облака. При дальнейшем охлаждении и укрупнении капель они выпадают на землю в виде осадков. Ответ: Охлаждение поднимающихся воздушных масс, приводящее к образованию облаков и осадков, является следствием совершения ими работы расширения, что согласно первому закону термодинамики для адиабатического процесса приводит к уменьшению их внутренней энергии и, следовательно, температуры.

2. Атмосферная циркуляция и ветры

Солнце неравномерно прогревает поверхность Земли: экваториальные области получают значительно больше тепла, чем полярные. Воздух над экватором нагревается ($Q > 0$), его внутренняя энергия $\Delta U$ увеличивается, он расширяется и его плотность уменьшается. Этот тёплый и лёгкий воздух поднимается в верхние слои атмосферы и начинает перемещаться в сторону полюсов. В полярных областях воздух, наоборот, охлаждается, становится плотным и опускается к поверхности. Вблизи поверхности холодные воздушные массы движутся от полюсов к экватору, замещая поднимающийся тёплый воздух. Этот глобальный процесс теплообмена создаёт систему постоянных ветров. Таким образом, атмосфера Земли функционирует как гигантская тепловая машина, которая получает теплоту от нагревателя (экваториальные районы), превращает часть этой энергии в механическую работу $\text{A}$ (кинетическую энергию ветров) и отдаёт оставшуюся теплоту холодильнику (полярные районы). Все эти энергетические преобразования описываются первым законом термодинамики. Ответ: Возникновение ветров и глобальной циркуляции атмосферы обусловлено преобразованием тепловой энергии, получаемой от Солнца, в работу по перемещению воздушных масс, что является прямым проявлением первого закона термодинамики.

3. Извержения вулканов

В недрах Земли магма находится под огромным давлением и содержит в растворённом виде большое количество газов (в основном водяной пар, углекислый газ). При подъёме магмы к поверхности внешнее давление резко падает. Это приводит к тому, что растворённые газы начинают бурно выделяться и стремительно расширяться. Процесс происходит так быстро, что его можно считать адиабатическим ($Q \approx 0$). Расширяющиеся газы совершают колоссальную работу $\text{A}$ по разрушению горных пород и выбросу лавы, пепла и газов на большую высоту. В соответствии с первым законом термодинамики, $\Delta U = -A$. Так как совершается огромная положительная работа, внутренняя энергия смеси газов и магмы резко уменьшается ($\Delta U < 0$). Это вызывает сильное и быстрое охлаждение извергнутого вещества. Например, вулканический пепел — это, по сути, мельчайшие частицы расплавленной породы, которые мгновенно застыли в виде стекла именно из-за резкого охлаждения при адиабатическом расширении. Ответ: Мощные извержения вулканов сопровождаются адиабатическим расширением газов, которые совершают работу, что согласно первому закону термодинамики приводит к резкому падению внутренней энергии и температуры извергаемых продуктов.