Номер 8.33, страница 48 - гдз по физике 8 класс задачник Генденштейн, Кирик

Тепловые явления. 8. Тепловые двигатели - номер 8.33, страница 48.

Условие.

8.33.Иногда газ при охлаждении отдает меньшее количество теплоты, чем было затрачено на его нагревание. Не противоречит ли это закону сохранения энергии?

Решение.

Решение

Нет, это явление не противоречит закону сохранения энергии. Оно полностью объясняется первым началом термодинамики, которое является выражением закона сохранения энергии для систем, в которых происходят тепловые процессы.

Первое начало термодинамики утверждает, что количество теплоты $\text{Q}$, подведенное к системе (например, к газу), расходуется на изменение ее внутренней энергии $\Delta U$ и на совершение системой работы $\text{A}$ над внешними телами. Математически это выражается формулой: $Q = \Delta U + A$.

Когда газ нагревают, ему сообщают количество теплоты $Q_{нагр}$. Часть этой энергии идет на увеличение внутренней энергии газа (его температура растет), а другая часть может быть преобразована в механическую работу, если газ при этом расширяется и, например, толкает поршень. Таким образом, $Q_{нагр} = \Delta U_{нагр} + A_{нагр}$.

Когда газ охлаждается, он отдает количество теплоты $Q_{отд}$. При этом его внутренняя энергия уменьшается. Если в процессе охлаждения газ сжимается, то над ним совершается работа внешними силами. Разница между количеством теплоты, затраченным на нагревание, и количеством теплоты, отданным при охлаждении, как раз и связана с совершенной газом работой.

Если газ совершает циклический процесс (то есть возвращается в свое первоначальное состояние), то общее изменение его внутренней энергии равно нулю. В таком случае, согласно первому началу термодинамики, вся разница между полученной при нагревании теплотой и отданной при охлаждении теплотой преобразуется в механическую работу, совершенную газом за цикл: $A_{цикл} = Q_{нагр} - Q_{отд}$.

Таким образом, ситуация, когда отданное количество теплоты меньше затраченного на нагревание ($Q_{отд} < Q_{нагр}$), означает, что газ за цикл "нагревание-охлаждение" совершил положительную работу ($A_{цикл} > 0$). Энергия не исчезла, а преобразовалась из тепловой в механическую. Именно на этом принципе основана работа всех тепловых двигателей.

Ответ: Нет, это не противоречит закону сохранения энергии. Разница между количеством теплоты, затраченным на нагревание газа, и количеством теплоты, отданным при охлаждении, идет на совершение газом механической работы. Энергия сохраняется, но преобразуется из одной формы (тепловой) в другую (механическую), что полностью соответствует первому началу термодинамики.