Номер 1, страница 225, часть 1 - гдз по физике 10 класс учебник Кронгарт, Казахбаева

Наблюдайте

Отпустите мяч с некоторой высоты и проследите за тем, как при его соударениях с горизонтальной поверхностью механическая энергия переходит во внутреннюю энергию. Запрещает ли первый закон термодинамики обратное превращение внутренней энергии в механическую энергию мяча?

Решение

Первый закон термодинамики, по сути, является законом сохранения энергии для термодинамических систем. Он утверждает, что количество теплоты ($\text{Q}$), переданное системе, идет на изменение ее внутренней энергии ($\Delta U$) и на совершение системой работы ($\text{A}$) над внешними телами. Математически это выражается формулой:

$Q = \Delta U + A$

Этот закон не накладывает никаких ограничений на направление, в котором могут протекать процессы. Он лишь устанавливает количественное соотношение между различными видами энергии.

Рассмотрим гипотетический обратный процесс: мяч, лежащий на полу, самопроизвольно подпрыгивает, охлаждаясь при этом. В этом случае работа ($\text{A}$) по поднятию мяча на некоторую высоту совершалась бы за счет его внутренней энергии ($\Delta U$). Если предположить, что процесс адиабатический (без теплообмена с окружающей средой, $Q=0$), то первый закон термодинамики примет вид:

$A = -\Delta U$

Это означает, что совершение механической работы ($A > 0$) возможно при уменьшении внутренней энергии системы ($\Delta U < 0$), то есть при ее охлаждении. Таким образом, с точки зрения первого закона термодинамики (закона сохранения энергии), такой процесс не запрещен. Энергия просто перешла бы из одной формы (внутренней) в другую (механическую).

Однако в реальности мы никогда не наблюдаем, чтобы остывающие тела самопроизвольно начинали двигаться. Запрет на такие процессы накладывает второй закон термодинамики, который вводит понятие энтропии и указывает на необратимость многих процессов в природе. Согласно второму закону, тепловая энергия (беспорядочное движение молекул) не может самопроизвольно полностью перейти в механическую работу (упорядоченное движение тела как целого). Вероятность такого события для макроскопического тела, как мяч, ничтожно мала.

Ответ: Нет, первый закон термодинамики не запрещает обратное превращение внутренней энергии в механическую энергию мяча, так как он является лишь выражением закона сохранения энергии. Запрет на такой самопроизвольный процесс накладывает второй закон термодинамики.