Номер 11.25, страница 65 - гдз по физике 8-11 класс учебник, задачник Гельфгат, Генденштейн

Задачи. Молекулярная физика. 11. Законы термодинамики - номер 11.25, страница 65.

Условие.

11.25*. Приведите пример процесса, в котором газ нагревается, отдавая тепло.

Решение.

Решение 2.

Решение

Такой процесс возможен и может быть описан с помощью первого закона термодинамики, который гласит:

$ΔU = Q + A'$

где $ΔU$ — изменение внутренней энергии газа, $\text{Q}$ — количество теплоты, переданное газу, а $A'$ — работа, совершённая над газом внешними силами.

Рассмотрим условия задачи:

1. Газ нагревается. Нагревание означает повышение температуры газа ($\text{T}$). Поскольку внутренняя энергия идеального газа прямо пропорциональна его температуре ($U \sim T$), то её изменение будет положительным: $ΔU > 0$.

2. Газ отдаёт тепло. Это означает, что газ передаёт тепло окружающей среде. В соответствии с принятыми в термодинамике знаками, количество теплоты, полученное газом, будет отрицательным: $Q < 0$.

Подставим эти условия в уравнение первого закона термодинамики:

$ΔU = Q + A' > 0$

Поскольку $Q < 0$, для выполнения этого неравенства необходимо, чтобы работа, совершённая над газом, была положительной ($A' > 0$) и по абсолютной величине превышала количество отданной теплоты:

$A' > |Q|$

Положительная работа над газом ($A' > 0$) означает, что газ сжимают, то есть его объём уменьшается. Таким образом, искомый процесс — это сжатие газа, при котором совершаемая над ним работа настолько велика, что она не только компенсирует потерю энергии за счёт теплоотдачи, но и приводит к увеличению его внутренней энергии и, следовательно, температуры.

Примером такого процесса может служить быстрое сжатие воздуха в ручном велосипедном насосе. Когда мы резко нажимаем на поршень насоса, мы совершаем значительную работу по сжатию воздуха. Корпус насоса (обычно металлический) нагревается и отдает тепло в окружающую среду ($Q < 0$). Однако, несмотря на эту потерю тепла, воздух внутри насоса и на выходе из него становится значительно горячее, так как работа сжатия ($A'$) оказывается больше, чем отданное количество теплоты ($|Q|$). Это приводит к увеличению внутренней энергии и температуры воздуха ($ΔU > 0$).

Ответ: Примером такого процесса является быстрое сжатие газа, например, воздуха в велосипедном насосе. Работа, совершаемая внешними силами при сжатии, превышает количество теплоты, которое газ отдает в окружающую среду, что приводит к увеличению его внутренней энергии и температуры.