Номер 7, страница 108 - гдз по физике 10 класс учебник Закирова, Аширов

7. Какое применение получили два начала термодинамики?

Два начала термодинамики — это фундаментальные законы природы, которые описывают процессы превращения и передачи энергии. Они нашли широчайшее применение в науке и технике, от проектирования двигателей до понимания направления химических реакций и эволюции Вселенной.

Применение первого начала термодинамики

Первое начало термодинамики является формулировкой закона сохранения энергии для термодинамических систем. Оно гласит, что количество теплоты $Q$, переданное системе, расходуется на изменение её внутренней энергии $\Delta U$ и на совершение системой работы $A$ над внешними телами. Математически это выражается формулой: $Q = \Delta U + A$.

Основные области применения первого начала:

1. Тепловые двигатели. Этот закон является основой для расчёта и проектирования всех типов тепловых двигателей: двигателей внутреннего сгорания (ДВС), паровых и газовых турбин, реактивных двигателей. Он позволяет составить энергетический баланс: рассчитать, какая доля теплоты от сгорания топлива превращается в полезную механическую работу, а какая уходит на нагрев частей двигателя и в окружающую среду с отработавшими газами. На основе этого закона вычисляется коэффициент полезного действия (КПД) двигателей.

2. Холодильные установки и тепловые насосы. Закон применяется для расчёта работы, которую необходимо затратить для переноса тепла от холодного тела к горячему. Это позволяет инженерам проектировать эффективные холодильники, системы кондиционирования воздуха и тепловые насосы, используемые для отопления зданий за счёт тепла окружающей среды.

3. Химическая термодинамика. В химии первое начало (в форме закона Гесса) используется для вычисления тепловых эффектов химических реакций. Это знание критически важно для управления промышленными химическими процессами, так как позволяет определить, будет ли реакция выделять или поглощать тепло, и рассчитать необходимое количество энергии.

4. Запрет вечного двигателя первого рода. Первое начало термодинамики строго доказывает невозможность создания вечного двигателя первого рода (perpetuum mobile) — устройства, которое могло бы совершать работу бесконечно долго без потребления энергии извне. Закон утверждает, что энергия не может возникнуть из ничего.

Ответ: Первое начало термодинамики, являясь законом сохранения энергии, применяется для расчёта энергетического баланса и КПД тепловых двигателей, для проектирования холодильных установок и тепловых насосов, для анализа тепловых эффектов в химии, а также служит теоретическим обоснованием невозможности создания вечного двигателя первого рода.

Применение второго начала термодинамики

Второе начало термодинамики вводит понятие энтропии $S$ и указывает направление, в котором самопроизвольно протекают процессы в природе. Оно имеет несколько формулировок, например: теплота не может самопроизвольно переходить от менее нагретого тела к более нагретому (постулат Клаузиуса), а энтропия изолированной системы не может уменьшаться ($\Delta S \ge 0$).

Основные области применения второго начала:

1. Ограничение эффективности тепловых двигателей. Второе начало накладывает фундаментальное ограничение на КПД любого теплового двигателя. Оно доказывает, что невозможно превратить всю полученную от нагревателя теплоту в работу. Максимально возможный КПД (КПД идеального цикла Карно) зависит только от абсолютных температур нагревателя $T_{нагр}$ и холодильника $T_{хол}$: $\eta_{max} = 1 - \frac{T_{хол}}{T_{нагр}}$. Этот принцип направляет инженеров на поиск путей повышения эффективности реальных двигателей, например, за счёт повышения рабочей температуры или снижения температуры отвода тепла.

2. Определение направления процессов. Закон позволяет предсказать, в каком направлении будет самопроизвольно протекать физический или химический процесс. Любой самопроизвольный процесс в изолированной системе идёт в сторону увеличения энтропии (увеличения хаоса или беспорядка). Это используется для определения возможности протекания химических реакций, процессов растворения, диффузии и теплообмена.

3. Основы работы холодильных машин. Второе начало объясняет, почему для переноса тепла от холодного тела к горячему (т.е. для охлаждения) необходимо затрачивать внешнюю работу. Оно позволяет рассчитать теоретический предел эффективности (холодильный коэффициент) для холодильников и кондиционеров.

4. Запрет вечного двигателя второго рода. Второе начало термодинамики доказывает невозможность создания вечного двигателя второго рода — гипотетической машины, которая бы циклически совершала работу, извлекая теплоту из одного-единственного источника (например, охлаждая воду мирового океана). Для непрерывного превращения теплоты в работу необходима разность температур.

Ответ: Второе начало термодинамики определяет предельно возможную эффективность тепловых машин, указывает направление протекания самопроизвольных процессов в природе (в сторону роста энтропии), объясняет фундаментальные принципы работы холодильной техники и служит теоретическим обоснованием невозможности создания вечного двигателя второго рода.