Номер 2, страница 278 - гдз по физике 10 класс учебник Мякишев, Буховцев

Вопросы к параграфу. Параграф 84. Первый закон термодинамики. Глава 13. Основы термодинамики - номер 2, страница 278.

Условие.

Решение.

Решение 3.

Решение

Изменение внутренней энергии термодинамической системы ($\Delta U$) определяется первым началом термодинамики. Его можно записать в виде формулы:

$ \Delta U = Q - A $

В этой формуле:

• $Q$ – это количество теплоты, переданное системе. Если система получает тепло (нагревается), то $Q > 0$. Если система отдает тепло (охлаждается), то $Q < 0$.

• $A$ – это работа, совершаемая самой системой над внешними телами. Если система расширяется, совершая работу, то $A > 0$. Если внешние силы сжимают систему, то работа, совершаемая системой, отрицательна, $A < 0$.

Изменение внутренней энергии будет отрицательным ($\Delta U < 0$), когда конечная внутренняя энергия системы меньше начальной. Для идеального газа, внутренняя энергия которого зависит только от его температуры, отрицательное изменение $\Delta U$ означает понижение температуры газа.

Исходя из формулы первого начала термодинамики, условие $\Delta U < 0$ выполняется в том случае, если $Q - A < 0$, что эквивалентно неравенству $Q < A$.

Это неравенство выполняется в следующих основных случаях:

1. Система совершает работу, но не получает теплоты извне. Это адиабатное расширение. В этом процессе теплообмен с окружающей средой отсутствует ($Q=0$), а газ, расширяясь, совершает положительную работу ($A>0$). Тогда изменение внутренней энергии $\Delta U = 0 - A = -A$. Так как работа $A$ положительна, то $\Delta U$ будет отрицательным. В этом случае работа совершается полностью за счет уменьшения внутренней энергии системы, что и приводит к ее охлаждению.

2. Система отдает теплоту, но не совершает работы. Это изохорное охлаждение. В этом процессе объем системы постоянен, поэтому работа не совершается ($A=0$). Система охлаждается, то есть отдает теплоту в окружающую среду ($Q<0$). Тогда изменение внутренней энергии $\Delta U = Q - 0 = Q$. Так как $Q$ отрицательно, то и $\Delta U$ будет отрицательным.

3. В общем случае изменение внутренней энергии отрицательно всегда, когда энергия, отданная системой (в виде теплоты и совершенной работы), превышает энергию, полученную ею. Условие $Q < A$ описывает все такие ситуации. Например, внутренняя энергия уменьшится, если система получает некоторое количество теплоты ($Q>0$), но при этом совершает работу большей величины ($A>Q$), или если система одновременно отдает теплоту ($Q<0$) и совершает работу ($A>0$).

Ответ: Изменение внутренней энергии отрицательно ($\Delta U < 0$) в том случае, когда количество теплоты, полученное системой ($Q$), меньше работы, совершенной этой системой ($A$). Математически это условие выражается неравенством $Q < A$. В частности, это происходит при адиабатном расширении (когда система совершает работу без подвода тепла, $A>0, Q=0$) и при изохорном охлаждении (когда от системы отводят теплоту при постоянном объеме, $Q<0, A=0$). Для идеального газа любое понижение его температуры соответствует отрицательному изменению внутренней энергии.