Номер 7, страница 87 - гдз по физике 10 класс учебник Казахбаева, Кронгарт

7. Примените первый закон термодинамики для случая нагревания воды на спиртовке.

7. Первый закон термодинамики утверждает, что количество теплоты ($Q$), переданное системе, идет на изменение ее внутренней энергии ($\Delta U$) и на совершение системой работы ($A$) над внешними телами. Математически это выражается формулой:

$Q = \Delta U + A$

Применим этот закон к случаю нагревания воды на спиртовке, где термодинамической системой является вода.

• Количество теплоты $Q$: Спиртовка при горении выделяет тепловую энергию. Часть этой энергии передается воде, то есть система (вода) получает тепло извне. Следовательно, величина $Q$ в данном процессе является положительной ($Q > 0$).
• Изменение внутренней энергии $\Delta U$: При получении тепла температура воды повышается. Внутренняя энергия тела напрямую зависит от температуры (для идеального газа — прямо пропорциональна). При увеличении температуры растет средняя кинетическая энергия хаотического движения молекул воды, что означает увеличение ее внутренней энергии. Таким образом, изменение внутренней энергии $\Delta U$ положительно ($\Delta U > 0$).
• Работа системы $A$: При нагревании вода, как и большинство веществ, испытывает тепловое расширение, то есть ее объем немного увеличивается. Расширяясь, вода совершает работу против сил внешнего атмосферного давления. Эта работа $A$ положительна ($A > 0$). Однако для жидкостей и твердых тел изменение объема при нагревании очень мало. Поэтому работа, совершаемая при их расширении, ничтожно мала по сравнению с изменением их внутренней энергии.

Таким образом, при нагревании воды на спиртовке подводимая теплота $Q$ расходуется на два процесса: в основном на увеличение внутренней энергии воды $\Delta U$ и в очень незначительной степени на совершение работы $A$ по расширению. В большинстве задач, связанных с нагреванием жидкостей, работой расширения пренебрегают, и первый закон термодинамики для этого случая упрощается до $Q \approx \Delta U$.

Ответ: При нагревании воды на спиртовке количество теплоты ($Q$), полученное водой от спиртовки, идет на увеличение внутренней энергии воды ($\Delta U$), что вызывает ее нагрев, и на совершение водой работы ($A$) против сил атмосферного давления при ее тепловом расширении. Это описывается уравнением первого закона термодинамики: $Q = \Delta U + A$. Так как работа расширения воды $A$ очень мала, можно считать, что почти вся полученная теплота идет на увеличение ее внутренней энергии: $Q \approx \Delta U$.