Ответьте на вопросы, страница 102 - гдз по физике 10 класс учебник Закирова, Аширов

Ответьте на вопросы

1. Что такое теплота? Количество теплоты?

2. Какие двигатели называют вечными двигателями I и II рода?

3. Почему создание таких двигателей невозможно?

1. Что такое теплота? Количество теплоты?

В физике термин «теплота» часто используется как синоним «количества теплоты». Сам по себе этот термин обозначает форму передачи энергии от одного тела к другому, обусловленную разностью их температур, без совершения макроскопической работы.

Количество теплоты (обозначается буквой $Q$) — это количественная мера энергии, которую тело получает или отдает в процессе теплопередачи. Теплообмен является одним из двух способов изменения внутренней энергии системы (второй способ — совершение работы). Количество теплоты, в отличие от внутренней энергии, не является функцией состояния системы, а зависит от процесса, в ходе которого система переходит из одного состояния в другое.

Единицей измерения количества теплоты в Международной системе единиц (СИ) является Джоуль (Дж). Количество теплоты, необходимое для нагревания тела, рассчитывается по формуле $Q = cm(T_2 - T_1)$, где $c$ — удельная теплоемкость вещества, $m$ — масса тела, а $T_1$ и $T_2$ — начальная и конечная температуры. При фазовых переходах (плавлении, кипении) количество теплоты рассчитывается по формулам $Q = \lambda m$ (плавление) или $Q = Lm$ (парообразование).

Ответ: Теплота — это энергия, передаваемая от более нагретого тела к менее нагретому в процессе теплообмена. Количество теплоты — это количественная мера этой энергии, измеряемая в Джоулях.

2. Какие двигатели называют вечными двигателями I и II рода?

Вечный двигатель первого рода (лат. Perpetuum Mobile primus generis) — это воображаемый двигатель, который, будучи раз запущен, совершал бы работу неограниченно долго, не потребляя при этом энергии извне. Фактически, это устройство, которое производило бы энергию из ничего.

Вечный двигатель второго рода (лат. Perpetuum Mobile secundus generis) — это воображаемая циклическая тепловая машина, которая совершала бы работу, полностью превращая в нее всю теплоту, полученную от одного единственного теплового резервуара (нагревателя). Такая машина не создавала бы энергию из ничего, а лишь на 100% преобразовывала бы один вид энергии (теплоту) в другой (механическую работу), не имея при этом «холодильника» для сброса части тепла.

Ответ: Вечный двигатель I рода — это устройство, создающее энергию из ничего. Вечный двигатель II рода — это устройство, которое в циклическом процессе полностью преобразует теплоту от одного источника в работу.

3. Почему создание таких двигателей невозможно?

Создание вечных двигателей любого рода невозможно, поскольку их гипотетическая работа противоречит фундаментальным законам природы — началам термодинамики.

Создание вечного двигателя первого рода невозможно, так как оно противоречит первому началу термодинамики, которое является формулировкой всеобщего закона сохранения энергии. Этот закон гласит, что энергия не может быть создана или уничтожена, она может только переходить из одной формы в другую. Работа двигателя I рода означала бы создание энергии из ничего, что нарушает этот фундаментальный принцип. Для любой изолированной системы изменение внутренней энергии $\Delta U$ равно разности между полученным количеством теплоты $Q$ и совершенной системой работой $A$: $\Delta U = Q - A$. В циклическом процессе $\Delta U = 0$, следовательно, $A = Q$. Вечный двигатель I рода должен был бы совершать работу $A > 0$ при $Q = 0$, что невозможно.

Создание вечного двигателя второго рода невозможно, так как оно противоречит второму началу термодинамики. Одна из его формулировок (постулат Кельвина) гласит: невозможно осуществить циклический процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счёт охлаждения теплового резервуара. Любая реальная тепловая машина для совершения работы должна иметь не только нагреватель (горячий источник), от которого она получает теплоту $Q_1$, но и холодильник (холодный источник), которому она отдает часть этой теплоты $Q_2$. Коэффициент полезного действия (КПД) такой машины всегда меньше 100%: $\eta = \frac{A}{Q_1} = \frac{Q_1 - Q_2}{Q_1} = 1 - \frac{Q_2}{Q_1} < 1$. Вечный двигатель II рода имел бы КПД, равный 100% ($\eta = 1$), так как у него отсутствовал бы холодильник ($Q_2 = 0$), что запрещено вторым началом термодинамики. Это означает, что невозможно преобразовать всю теплоту в работу в циклическом процессе.

Ответ: Создание вечного двигателя I рода невозможно, так как это нарушает закон сохранения энергии (первое начало термодинамики). Создание вечного двигателя II рода невозможно, так как это нарушает второе начало термодинамики, которое запрещает полное превращение тепла в работу в циклическом процессе.