Номер 6, страница 108 - гдз по физике 10 класс учебник Закирова, Аширов

6. Сформулируйте законы термодинамики.

Законы термодинамики — это фундаментальные принципы, описывающие поведение энергии, тепла, работы и энтропии в физических системах.

Нулевое начало (закон) термодинамики

Этот закон устанавливает понятие температурного равновесия и является основой для введения понятия температуры. Он гласит: если две термодинамические системы находятся в тепловом равновесии с третьей, то они находятся в тепловом равновесии и между собой. То есть, если система A находится в равновесии с системой C, и система B также находится в равновесии с системой C, то системы A и B находятся в равновесии друг с другом. Это свойство позволяет использовать третью систему (например, термометр) для определения, находятся ли две другие системы в тепловом равновесии, то есть имеют ли они одинаковую температуру.

Ответ: Если две системы по отдельности находятся в тепловом равновесии с третьей, то они находятся в тепловом равновесии и между собой.

Первое начало (закон) термодинамики

Первый закон термодинамики представляет собой закон сохранения энергии, примененный к термодинамическим процессам. Он утверждает, что количество теплоты ($Q$), переданное системе, расходуется на изменение её внутренней энергии ($\Delta U$) и на совершение системой работы ($A$) против внешних сил. Математически это выражается формулой:

$Q = \Delta U + A$

где:

• $Q$ — количество теплоты, полученное системой (если $Q > 0$) или отданное системой (если $Q < 0$).

• $\Delta U$ — изменение внутренней энергии системы. Внутренняя энергия является функцией состояния системы и зависит от её температуры и объёма.

• $A$ — работа, совершённая системой над внешними телами (если $A > 0$) или работа, совершённая внешними телами над системой (если $A < 0$).

Этот закон постулирует невозможность создания вечного двигателя первого рода — устройства, которое совершало бы работу без потребления энергии извне.

Ответ: Энергия не создается и не исчезает, а лишь переходит из одной формы в другую; количество теплоты, сообщенное системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение работы.

Второе начало (закон) термодинамики

Второе начало термодинамики указывает направление, в котором протекают самопроизвольные термодинамические процессы. В отличие от первого закона, который является количественным, второй закон носит качественный характер и имеет несколько эквивалентных формулировок.

• Формулировка Клаузиуса: Невозможен процесс, единственным результатом которого является передача тепла от более холодного тела к более горячему.

• Формулировка Кельвина (Томсона): Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого является превращение в работу всей теплоты, полученной от единственного источника (нагревателя).

• Формулировка через энтропию: В изолированной системе энтропия не может уменьшаться. Она либо возрастает (в случае необратимых процессов), либо остается постоянной (в случае обратимых процессов). Математически это записывается как $ \Delta S \ge 0 $. Энтропия ($S$) является мерой неупорядоченности или хаоса в системе. Таким образом, все самопроизвольные процессы в изолированных системах идут в сторону увеличения беспорядка.

Этот закон объясняет, почему одни процессы происходят самопроизвольно, а другие нет, и вводит фундаментальное понятие энтропии.

Ответ: Все самопроизвольные процессы в природе протекают в одном определенном направлении, приводя к увеличению энтропии (беспорядка) в изолированной системе.

Третье начало (закон) термодинамики (теорема Нернста)

Третий закон термодинамики устанавливает поведение энтропии при приближении к абсолютному нулю температуры. Он гласит, что энтропия любого идеального кристалла при температуре абсолютного нуля ($T = 0 \text{ К}$) равна нулю. Это связано с тем, что при абсолютном нуле система находится в своем основном, наиболее упорядоченном состоянии, которому соответствует только одно микросостояние.

$ \lim_{T \to 0} S(T) = 0 $

Из этого закона следует важное следствие: невозможно достичь температуры абсолютного нуля за конечное число шагов (принцип недостижимости абсолютного нуля). При каждом шаге охлаждения можно лишь приблизиться к $0 \text{ К}$, но никогда его не достичь. Третий закон позволяет определить абсолютное значение энтропии для любого состояния системы, в отличие от второго закона, который позволяет находить лишь изменение энтропии.

Ответ: Энтропия идеального кристалла при абсолютном нуле температуры равна нулю; достичь абсолютного нуля температуры невозможно.