Номер 13, страница 120 - гдз по химии 11 класс учебник Габриелян, Остроумов

Глава 4. Закономерности протекания химических реакций и физико-химических процессов. Параграф 17. Основы химической термодинамики. Понятие об энтальпии - номер 13, страница 120.

Условие.

13. Подготовьте сообщение на тему «Первое начало термодинамики: великий закон природы».

Решение.

Решение 2.

Первое начало, или первый закон, термодинамики является одним из фундаментальных законов природы и представляет собой закон сохранения энергии в применении к термодинамическим системам. Этот закон утверждает, что энергия не может быть создана из ничего или уничтожена, она может лишь переходить из одной формы в другую. Его открытие и формулировка в середине XIX века трудами Юлиуса Майера, Джеймса Джоуля, Германа Гельмгольца и других учёных стало важнейшим шагом в развитии физики, позволив количественно описать процессы превращения теплоты в работу и наоборот.

Формулировка и математическое выражение

Первое начало термодинамики устанавливает связь между изменением внутренней энергии системы, количеством теплоты, переданным системе, и работой, совершённой над системой.

Словесная формулировка закона звучит так: изменение внутренней энергии ($ \Delta U $) неизолированной термодинамической системы равно разности между количеством теплоты ($\text{Q}$), переданным системе, и работой ($A'$), совершённой системой над внешними телами.

Математически это записывается в виде уравнения:

$ \Delta U = Q - A' $

В другой, эквивалентной форме, где под $\text{A}$ понимается работа внешних сил над системой ($A = -A'$), формула выглядит так:

$ \Delta U = Q + A $

Из этих формул видно, что существуют два способа изменить внутреннюю энергию тела (например, газа в сосуде):

1. Совершить над телом работу (например, сжать газ).
2. Передать телу некоторое количество теплоты (например, нагреть его).

Следствие: Невозможность вечного двигателя первого рода

Одним из важнейших следствий первого начала термодинамики является невозможность создания вечного двигателя первого рода (perpetuum mobile). Это гипотетическое устройство, которое могло бы совершать работу бесконечно, не черпая энергию из какого-либо источника. Если рассмотреть двигатель, работающий циклически, то по завершении каждого цикла он возвращается в исходное состояние, а значит, изменение его внутренней энергии равно нулю ($ \Delta U = 0 $). Тогда из первого начала термодинамики ($ \Delta U = Q - A' $) следует, что $ Q = A' $. Это означает, что двигатель может совершить работу $A'$ только в том случае, если получит извне эквивалентное количество теплоты $\text{Q}$. Создать энергию из ничего невозможно, что и является фундаментальным запретом, налагаемым этим великим законом природы.

Применение первого начала к изопроцессам в идеальном газе

Первый закон термодинамики является мощным инструментом для анализа различных процессов, происходящих в газах.

• Изотермический процесс ($ T = const $). Внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры. Так как температура не меняется, то и изменение внутренней энергии равно нулю: $ \Delta U = 0 $. Тогда весь закон сводится к равенству $ Q = A' $. Вся подводимая к газу теплота полностью идёт на совершение им работы.

• Изохорный процесс ($ V = const $). Если объём газа не меняется, то работа не совершается: $ A' = 0 $. В этом случае первое начало принимает вид $ Q = \Delta U $. Вся подводимая теплота идёт на увеличение внутренней энергии газа, что проявляется в росте его температуры и давления.

• Изобарный процесс ($ p = const $). При постоянном давлении подводимое к газу тепло $\text{Q}$ расходуется как на увеличение его внутренней энергии ($ \Delta U $), так и на совершение им работы ($ A' $) при расширении. Уравнение сохраняет свой полный вид: $ Q = \Delta U + A' $.

• Адиабатный процесс ($ Q = 0 $). Этот процесс протекает в теплоизолированной системе без теплообмена с окружающей средой. Первое начало для него выглядит так: $ \Delta U = -A' $ или $ A' = -\Delta U $. Это означает, что система совершает работу исключительно за счёт убыли своей внутренней энергии. Именно поэтому при адиабатном расширении газ всегда охлаждается.

Заключение

Первое начало термодинамики — это не просто физическое уравнение, а универсальный принцип, лежащий в основе всех энергетических превращений во Вселенной, от работы двигателей внутреннего сгорания до метаболизма в живых организмах и процессов в недрах звёзд. Его фундаментальный характер и всеобъемлющий охват явлений по праву позволяют называть его одним из великих законов природы.