Номер 2, страница 291 - гдз по физике 10 класс учебник Касьянов

Творческие задания. Параграф 60. Второй закон термодинамики. 10. Термодинамика. Молекулярная физика - номер 2, страница 291.

Условие.

2. Докажите универсальность закона сохранения энергии на примере рассмотрения механических и тепловых процессов.

Решение.

Закон сохранения энергии является фундаментальным законом природы и утверждает, что энергия в замкнутой системе не возникает из ниоткуда и не исчезает в никуда, а лишь переходит из одной формы в другую. Универсальность этого закона можно продемонстрировать, рассмотрев взаимосвязь механических и тепловых процессов.

1. Закон сохранения механической энергии.

В механике рассматривается полная механическая энергия $E_м$ как сумма кинетической $E_к$ (энергии движения) и потенциальной $E_п$ (энергии взаимодействия) энергий:

$E_м = E_к + E_п$

В идеализированной замкнутой системе, где действуют только консервативные силы (например, сила тяжести, сила упругости) и отсутствуют силы трения или сопротивления, полная механическая энергия сохраняется. Классический пример — свободное падение тела или колебания математического маятника в вакууме. При падении тела его потенциальная энергия ($E_п = mgh$) превращается в кинетическую ($E_к = \frac{mv^2}{2}$), но их сумма остается постоянной.

2. Роль неконсервативных сил и переход к тепловым процессам.

Однако в реальных условиях всегда присутствуют неконсервативные силы, такие как сила трения или сила сопротивления воздуха. Под действием этих сил механическая энергия системы не сохраняется — она уменьшается. Например, шайба, скользящая по льду, со временем останавливается. Ее кинетическая энергия обращается в нуль. Кажется, что энергия исчезла, что противоречит закону сохранения.

3. Взаимопревращение механической и внутренней (тепловой) энергии.

Именно здесь проявляется универсальность закона. "Исчезнувшая" механическая энергия не исчезает бесследно, а переходит в другую форму — внутреннюю (тепловую) энергию. Работа силы трения приводит к нагреванию взаимодействующих тел (шайбы и льда). Увеличение температуры означает увеличение кинетической энергии хаотического движения молекул, из которых состоят тела, то есть увеличение их внутренней энергии $U$.

Опыты Джоуля и других ученых показали, что существует строгая количественная связь между потерянной механической работой и выделившимся количеством теплоты. Убыль механической энергии $ \Delta E_м $ в точности равна приращению внутренней энергии $ \Delta U $ системы:

$-\Delta E_м = \Delta U$

Это положение является частным случаем первого начала термодинамики, которое, в свою очередь, является обобщенным законом сохранения энергии для тепловых процессов: изменение внутренней энергии системы $ \Delta U $ равно сумме работы $ A $, совершенной над системой, и количества теплоты $ Q $, переданного системе:

$ \Delta U = Q + A $

4. Универсальный закон сохранения энергии.

Таким образом, если рассматривать полную энергию замкнутой системы, включающую в себя не только механическую, но и внутреннюю (тепловую) и все другие виды энергии, то эта полная энергия всегда сохраняется. Уменьшение одного вида энергии всегда сопровождается эквивалентным увеличением другого вида энергии.

Например, при падении метеорита в атмосфере Земли его огромная начальная механическая энергия (кинетическая и потенциальная) за счет трения о воздух преобразуется во внутреннюю энергию метеорита и воздуха, что приводит к их сильному нагреву, свечению и сгоранию. Механическая энергия переходит в тепловую и световую. Полная энергия системы "метеорит + атмосфера" остается неизменной.

Ответ: Универсальность закона сохранения энергии доказывается тем, что при рассмотрении реальных процессов, где механическая энергия не сохраняется из-за действия сил трения, она не исчезает, а переходит в эквивалентное количество внутренней (тепловой) энергии. Таким образом, полная энергия замкнутой системы, равная сумме механической, внутренней и других видов энергии, всегда остается постоянной, демонстрируя, что энергия лишь преобразуется из одной формы в другую, но никогда не создается и не уничтожается.