Номер 2, страница 290 - гдз по физике 10 класс учебник Мякишев, Буховцев

Как вы думаете, почему для получения максимальной положительной работы С. Карно выбрал изотермический процесс?

Сади Карно стремился определить условия, при которых тепловая машина будет обладать максимальным коэффициентом полезного действия (КПД), то есть совершать максимальную работу за счет полученного количества теплоты. Рассмотрим этот вопрос с точки зрения первого закона термодинамики.

Первый закон термодинамики гласит, что количество теплоты $Q$, переданное системе, идет на изменение ее внутренней энергии $\Delta U$ и на совершение системой работы $A$ над внешними телами:

$Q = \Delta U + A$

Отсюда работа, совершаемая газом, выражается как:

$A = Q - \Delta U$

Чтобы получить максимальную положительную работу $A$ от газа при подведении к нему определенного количества теплоты $Q$, необходимо, чтобы изменение внутренней энергии $\Delta U$ было минимальным.

Внутренняя энергия идеального газа зависит только от его температуры. Следовательно, чтобы изменение внутренней энергии было равно нулю ($\Delta U = 0$), процесс должен происходить при постоянной температуре ($T = \text{const}$). Такой процесс называется изотермическим.

При изотермическом расширении, когда газ получает тепло от нагревателя, его температура не меняется. Это означает, что $\Delta U = 0$, и тогда из первого закона термодинамики следует:

$A = Q$

Это означает, что при изотермическом процессе вся подведенная к газу теплота полностью преобразуется в работу. В любом другом процессе расширения, сопровождающемся подводом тепла (например, изобарном), температура газа будет расти, а значит, $\Delta U > 0$. В этом случае только часть подведенной теплоты пойдет на совершение работы, а другая часть — на увеличение внутренней энергии газа.

Таким образом, для получения максимальной работы от подведенного тепла на этапе расширения Карно выбрал именно изотермический процесс.

Ответ: С. Карно выбрал изотермический процесс для этапа расширения газа с получением тепла, так как в этом процессе ($T = \text{const}$) внутренняя энергия идеального газа не изменяется ($\Delta U = 0$). Согласно первому закону термодинамики ($A = Q - \Delta U$), это означает, что всё полученное газом количество теплоты $Q$ полностью преобразуется в работу $A$, что и обеспечивает максимальную эффективность этого этапа.