Номер 1, страница 152 - гдз по физике 10 класс учебник Мякишев, Синяков

Глава 5. Законы термодинамики. Параграф 5.3. Эквивалентность количества теплоты и работы - номер 1, страница 152.

Условие.

? 1. Перечислите способы изменения внутренней энергии тела.

Решение.

1. Внутренняя энергия тела (или термодинамической системы) может быть изменена двумя основными способами: путем совершения работы и путем теплопередачи.

Это положение является следствием первого закона термодинамики, который математически выражается формулой:

$ΔU = Q + A'$

где $ΔU$ – изменение внутренней энергии системы, $\text{Q}$ – количество теплоты, переданное системе, а $A'$ – работа, совершенная над системой внешними силами.

Рассмотрим каждый из этих способов подробнее.

Совершение работы

Изменение внутренней энергии происходит, когда над телом или само тело совершает механическую работу.

– Если внешние силы совершают работу над телом ($A' > 0$), его внутренняя энергия увеличивается. Примерами могут служить:
• Сжатие газа в сосуде: работа внешней силы увеличивает кинетическую энергию молекул газа, что приводит к росту его внутренней энергии и температуры.
• Трение: работа против сил трения преобразуется во внутреннюю энергию, вызывая нагревание трущихся поверхностей (например, при трении ладоней друг о друга).
• Деформация: при многократном изгибании проволоки или ударах по металлическому предмету совершается работа, которая приводит к его нагреву.

– Если тело само совершает работу над внешними телами ($A' < 0$), его внутренняя энергия уменьшается (при условии отсутствия теплообмена). Примером является:
• Расширение газа: газ, расширяясь, толкает поршень, совершая работу. Если этот процесс происходит без подвода тепла (адиабатически), внутренняя энергия и температура газа падают.

Теплопередача (теплообмен)

Теплопередача — это процесс изменения внутренней энергии без совершения работы, который происходит из-за разности температур между телом и окружающей средой. Выделяют три вида теплопередачи:

– Теплопроводность. Это перенос энергии от более нагретых частей тела к менее нагретым за счет взаимодействия и столкновения его частиц (атомов, молекул). Этот механизм характерен для всех агрегатных состояний, но наиболее эффективен в твердых телах, особенно в металлах. Пример: ручка металлической ложки, опущенной в горячий чай, со временем нагревается.

– Конвекция. Это перенос энергии потоками жидкости или газа. Нагретые слои вещества имеют меньшую плотность и поднимаются вверх, а их место занимают более холодные и плотные слои, опускающиеся вниз. В результате возникают циркулирующие потоки, переносящие тепло. Конвекция наблюдается только в жидкостях и газах. Пример: кипение воды в чайнике, обогрев комнаты радиатором отопления.

– Излучение. Это перенос энергии посредством электромагнитных волн (преимущественно в инфракрасном диапазоне). Любое тело, имеющее температуру выше абсолютного нуля, излучает энергию. Этот вид теплопередачи может происходить в вакууме. Пример: тепло от Солнца, достигающее Земли через космическое пространство; тепло, которое мы ощущаем от костра или камина.

Ответ: Внутреннюю энергию тела можно изменить двумя способами: 1) совершением работы (над телом или самим телом) и 2) теплопередачей. Теплопередача, в свою очередь, осуществляется тремя путями: теплопроводностью, конвекцией и излучением.