Номер 3, страница 207, часть 1 - гдз по физике 10 класс учебник Кронгарт, Казахбаева

3. Что в термодинамике понимают под вечным двигателем первого рода?

3. Что в термодинамике понимают под вечным двигателем первого рода?

Вечный двигатель первого рода (на латыни perpetuum mobile primus generis) — это гипотетический, воображаемый механизм, который способен совершать механическую работу бесконечно долго, не черпая энергию из какого-либо внешнего источника и не претерпевая при этом никаких изменений в самом себе. Проще говоря, это машина, которая производила бы энергию из ничего.

Сама идея существования такого устройства находится в прямом противоречии с первым законом термодинамики, который является обобщением закона сохранения энергии. Именно поэтому первый закон термодинамики часто формулируют как постулат о невозможности создания вечного двигателя первого рода.

Рассмотрим, почему такой двигатель невозможен. Любой двигатель, предназначенный для длительной работы, должен действовать циклически, то есть периодически возвращаться в свое исходное состояние. Для полного цикла изменение любой функции состояния, в том числе и внутренней энергии, равно нулю: $\Delta U_{цикла} = 0$.

Подставим это условие в уравнение первого закона термодинамики $Q = \Delta U + A'$: $Q_{цикла} = 0 + A'_{цикла} \implies Q_{цикла} = A'_{цикла}$

Это означает, что работа, совершаемая системой за цикл ($A'_{цикла}$), в точности равна количеству теплоты, полученному системой извне за этот же цикл ($Q_{цикла}$).

Вечный двигатель первого рода, по своему определению, должен совершать работу ($A'_{цикла} > 0$) без какого-либо подвода энергии, то есть при условии, что $Q_{цикла} \le 0$ (система либо не обменивается теплотой, либо отдает ее). Это требование ($A'_{цикла} > 0$ при $Q_{цикла} \le 0$) напрямую противоречит следствию из первого закона термодинамики ($A'_{цикла} = Q_{цикла}$). Чтобы совершать работу, система обязана получать эквивалентное количество энергии извне.

Ответ: Вечный двигатель первого рода — это воображаемый аппарат, который бы совершал работу без потребления энергии из внешних источников. Создание такого двигателя невозможно, так как это нарушает закон сохранения энергии, сформулированный в термодинамике как ее первое начало.