Номер 1, страница 275 - гдз по физике 10 класс учебник Касьянов

Вопросы. Параграф 56. Работа газа при изопроцессах. 10. Термодинамика. Молекулярная физика - номер 1, страница 275.

Условие.

1. Как можно преобразовать хаотическое движение молекул газа в направленное движение макроскопического тела?

Решение.

Преобразование хаотического (теплового) движения молекул газа в направленное (механическое) движение макроскопического тела является основным принципом работы всех тепловых двигателей. Этот процесс можно осуществить, используя способность газа расширяться при нагревании и совершать при этом механическую работу.

Рассмотрим классический пример: газ, заключенный в цилиндре с подвижным поршнем. Молекулы газа находятся в состоянии непрерывного хаотического движения, сталкиваясь со стенками цилиндра и поршнем. Эти многочисленные удары создают давление газа, которое действует на поршень. Чтобы преобразовать это хаотическое движение в направленное, необходимо выполнить следующую последовательность действий:

1. Нагревание газа. Газу сообщают некоторое количество теплоты ($Q$). Это можно сделать, например, сжигая топливо (как в двигателе внутреннего сгорания) или используя внешний источник тепла (как в паровой машине).

2. Увеличение внутренней энергии и давления. Полученная теплота увеличивает внутреннюю энергию газа ($U$). Согласно молекулярно-кинетической теории, это означает, что средняя кинетическая энергия хаотического движения молекул возрастает. Они начинают двигаться быстрее и, как следствие, чаще и с большей силой ударяются о поршень. Это приводит к увеличению давления ($p$) газа в цилиндре.

3. Совершение работы. Возросшее давление газа создает силу $F = p \cdot S$ (где $S$ — площадь поршня), которая толкает поршень. Если эта сила достаточна для преодоления внешних сил, поршень начинает двигаться в одном направлении. При этом газ расширяется, а его объем увеличивается на величину $\Delta V$. В процессе расширения газ совершает механическую работу $A$ над поршнем, которая в простейшем случае (при постоянном давлении) равна $A = p \cdot \Delta V$.

Таким образом, часть внутренней энергии газа, которая представляет собой суммарную энергию хаотического движения его молекул, преобразуется в кинетическую энергию направленного движения макроскопического тела — поршня. Этот процесс подчиняется первому закону термодинамики: $Q = \Delta U + A$. Подведенная к газу теплота ($Q$) расходуется на изменение его внутренней энергии ($\Delta U$) и на совершение им полезной работы ($A$).

На практике этот принцип используется в двигателях внутреннего сгорания, паровых турбинах и других тепловых машинах, которые преобразуют тепловую энергию в механическую.

Ответ: Хаотическое движение молекул газа можно преобразовать в направленное движение макроскопического тела, если создать условия, при которых газ будет расширяться и совершать механическую работу над этим телом. Для этого газ необходимо нагреть, что приведет к увеличению его давления. Под действием этого давления газ сможет толкнуть подвижное тело (например, поршень), тем самым преобразуя часть своей внутренней тепловой энергии в механическую энергию направленного движения.