Номер 5, страница 291 - гдз по физике 10 класс учебник Касьянов

Творческие задания. Параграф 60. Второй закон термодинамики. 10. Термодинамика. Молекулярная физика - номер 5, страница 291.

Условие.

5. Попробуйте графически изобразить «цикл Карно» для человека, считая его тепловой машиной. Какие параметры вы выберете для обозначения осей координат?

Решение.

Рассмотрение человека как тепловой машины, работающей по идеальному обратимому циклу Карно, является сильной идеализацией и носит скорее умозрительный, метафорический характер. Все процессы в живом организме являются необратимыми. Тем не менее, можно построить такую модель.

В этой модели:

• Нагревателем является сам организм, в котором в результате метаболизма (окисления питательных веществ) выделяется энергия. Температура нагревателя $T_1$ — это постоянная температура человеческого тела (около $36,6 \text{°C}$ или $310 \text{ К}$).

• Рабочим телом выступает вся сложная биохимическая система организма, совершающая работу.

• Холодильником является окружающая среда с температурой $T_2$, которая ниже температуры тела ($T_2 < T_1$).

Какие параметры вы выберете для обозначения осей координат?

Классически цикл Карно изображают в координатах Давление-Объем (P-V) или Температура-Энтропия (T-S). Для такой сложной системы, как человек, макроскопические параметры «Давление» и «Объем» всего организма не имеют четкого термодинамического смысла, так как объем тела практически постоянен.

Поэтому наиболее подходящей системой координат для графического изображения такого цикла является Температура (T) – Энтропия (S). В этих координатах цикл Карно представляет собой прямоугольник.

По оси ординат отложим температуру (T), а по оси абсцисс — энтропию (S). Цикл будет состоять из четырех процессов:

1. Изотермическое расширение (1→2): Процесс происходит при постоянной температуре тела $T_1 = 310 \text{ К}$. Это аналог потребления пищи и ее усвоения. Организм получает от «нагревателя» (внутренних метаболических процессов) количество теплоты $Q_1$, при этом совершается полезная работа (мышечная деятельность, поддержание жизнедеятельности). Энтропия системы возрастает.

2. Адиабатическое расширение (2→3): Это гипотетический процесс, в ходе которого система совершает работу без теплообмена с окружающей средой, используя внутреннюю энергию. В модели это могло бы соответствовать переходу от состояния активной работы к состоянию покоя, когда тепло от внутренних органов перераспределяется к поверхности тела. Температура «рабочего тела» падает от $T_1$ до $T_2$. Энтропия остается постоянной ($S = \text{const}$).

3. Изотермическое сжатие (3→4): Процесс происходит при температуре окружающей среды $T_2$. Это аналог отдыха и отдачи избыточного тепла $Q_2$ «холодильнику» (окружающей среде) через кожу и дыхание. Энтропия системы уменьшается.

4. Адиабатическое сжатие (4→1): Возвращение системы в исходное состояние без теплообмена с окружающей средой. Температура повышается от $T_2$ до $T_1$ за счет внутренних процессов, подготавливая организм к новому циклу активности. Энтропия остается постоянной ($S = \text{const}$).

Графически это будет выглядеть как прямоугольник в координатах T-S.

Ответ: Для графического изображения «цикла Карно» для человека наиболее подходящими параметрами для осей координат являются Температура (T) по вертикальной оси и Энтропия (S) по горизонтальной оси.