Номер 2, страница 281 - гдз по физике 10 класс учебник Мякишев, Буховцев

Вопросы к параграфу. Параграф 85. Применение первого закона термодинамики к различным процессам. Глава 13. Основы термодинамики - номер 2, страница 281.

Условие.

Решение.

Решение 3.

Температура газа является мерой средней кинетической энергии хаотического движения его молекул. Следовательно, для изменения температуры газа необходимо изменить его внутреннюю энергию. Согласно первому закону термодинамики, изменение внутренней энергии ($ \Delta U $) системы равно сумме количества теплоты, переданного системе ($ Q $), и работы, совершенной над системой внешними силами ($ A' $):

$ \Delta U = Q + A' $

Так как для идеального газа внутренняя энергия прямо пропорциональна его абсолютной температуре ($ U \sim T $), из этого уравнения следует, что температуру газа можно изменить двумя основными способами, которые могут проявляться как по отдельности, так и совместно.

Способ 1: Теплообмен (теплопередача)

Этот способ заключается в передаче энергии в виде тепла между газом и окружающей средой. Внутренняя энергия изменяется за счет подвода или отвода тепла.

Нагревание: если газу сообщить некоторое количество теплоты (например, нагреть сосуд, в котором он находится), его молекулы начнут двигаться быстрее. Средняя кинетическая энергия молекул, а следовательно и температура газа, увеличится.

Охлаждение: если от газа отвести тепло (например, поместив сосуд с газом в холодную среду), средняя скорость движения его молекул уменьшится. Это приведет к уменьшению внутренней энергии и понижению температуры.

Способ 2: Совершение механической работы

Этот способ заключается в изменении внутренней энергии газа путем совершения работы при его сжатии или расширении. В идеальном случае, если процесс происходит без теплообмена с окружающей средой ($ Q=0 $, так называемый адиабатный процесс), то изменение внутренней энергии полностью определяется совершенной работой ($ \Delta U = A' $).

Сжатие: когда внешние силы сжимают газ, они совершают над ним положительную работу. Эта работа преобразуется во внутреннюю энергию газа, увеличивая кинетическую энергию его молекул. В результате температура газа повышается. Классический пример — нагревание велосипедного насоса при накачивании шины.

Расширение: когда газ расширяется, он сам совершает работу над окружающими телами (например, выталкивая поршень). Эта работа совершается за счет его собственной внутренней энергии. Внутренняя энергия газа уменьшается, что приводит к его охлаждению. Пример — сильное охлаждение баллончика с аэрозолем при распылении, когда сжатый газ быстро расширяется.

В большинстве реальных процессов оба механизма — теплообмен и совершение работы — действуют одновременно. Конечное изменение температуры зависит от баланса между полученной/отданной теплотой и совершенной работой.

Ответ:

Температуру газа можно изменить двумя фундаментальными способами:

1. Путем теплообмена: сообщить газу тепло (нагреть) или отвести от него тепло (охладить). При подводе тепла газ нагревается, при отводе — охлаждается.

2. Путем совершения работы: совершить над газом механическую работу (сжать его) или позволить газу совершить работу (дать ему расшириться). При сжатии газ нагревается, так как над ним совершается работа. При расширении газ охлаждается, так как он сам совершает работу.