Номер 4, страница 87 - гдз по физике 10 класс учебник Казахбаева, Кронгарт

4. Какую машину называют вечным двигателем первого рода? Почему невозможен такой двигатель?

4. Вечным двигателем первого рода называют воображаемую машину (устройство), которая способна совершать работу бесконечно долго, не потребляя при этом никакой энергии из внешнего источника. Другими словами, это гипотетический двигатель, который производил бы энергию из ничего, создавая ее самостоятельно.

Невозможность существования такого двигателя является прямым следствием первого закона термодинамики, который представляет собой формулировку фундаментального закона сохранения энергии для термодинамических систем.

Первый закон термодинамики утверждает, что количество теплоты $Q$, переданное системе, расходуется на изменение ее внутренней энергии $\Delta U$ и на совершение системой работы $A$ против внешних сил. Математически это выражается формулой:

$Q = \Delta U + A$

Рассмотрим, почему вечный двигатель первого рода невозможен с точки зрения этого закона:

1. По своему определению, вечный двигатель первого рода не должен потреблять энергию извне. Это означает, что количество подводимой к нему теплоты равно нулю, то есть $Q = 0$.

2. Любой двигатель, предназначенный для длительной работы, должен работать циклически. В циклическом процессе система периодически возвращается в свое исходное состояние. При возвращении в исходное состояние все параметры системы (температура, давление, объем) принимают свои первоначальные значения. Следовательно, изменение внутренней энергии $\Delta U$ за один полный цикл равно нулю, так как внутренняя энергия является функцией состояния системы.

3. Подставим эти условия ($Q = 0$ и $\Delta U = 0$) в уравнение первого закона термодинамики:

$0 = 0 + A$

Из этого уравнения следует, что работа $A$, совершаемая двигателем за цикл, также должна быть равна нулю ($A = 0$).

Таким образом, машина, не получающая энергии извне, не может совершать полезную работу. Любое устройство, которое бы производило работу без потребления энергии, нарушало бы закон сохранения энергии, один из самых фундаментальных законов природы. Именно поэтому создание вечного двигателя первого рода принципиально невозможно.

Ответ: Вечный двигатель первого рода — это гипотетическая машина, совершающая работу без потребления энергии. Такой двигатель невозможен, так как его существование противоречит первому закону термодинамики (закону сохранения энергии), согласно которому энергия не может возникать из ничего и исчезать в никуда.