Номер 319, страница 49 - гдз по физике 8 класс сборник вопросов и задач Марон, Марон

Тепловые явления. Работа газа и пара при расширении. Тепловые двигатели - номер 319, страница 49.

Условие.

319. Внутренняя энергия тела равна 1000 Дж. Можно ли за счёт этой энергии совершить механическую работу, равную 1000 Дж?

Решение.

Решение

Этот вопрос касается фундаментальных принципов термодинамики, в частности, второго закона термодинамики.

Внутренняя энергия тела ($\text{U}$) представляет собой сумму кинетической энергии хаотического (теплового) движения его частиц (атомов, молекул) и потенциальной энергии их взаимодействия. Эта энергия напрямую связана с температурой тела.

Для того чтобы совершить механическую работу ($\text{A}$) за счёт внутренней энергии, необходимо преобразовать эту энергию. Первый закон термодинамики (закон сохранения энергии) для процесса, где работа совершается только за счет убыли внутренней энергии (без подвода тепла извне, $Q=0$), записывается как $A = -\Delta U = U_{начальная} - U_{конечная}$.

Если бы мы хотели совершить работу $A = 1000$ Дж за счет начальной внутренней энергии $U_{начальная} = 1000$ Дж, это означало бы, что конечная внутренняя энергия тела должна стать равной нулю: $U_{конечная} = 1000 \text{ Дж} - 1000 \text{ Дж} = 0 \text{ Дж}$. Нулевая внутренняя энергия (для идеального газа) соответствует температуре абсолютного нуля ($T=0$ К).

Однако второй закон термодинамики накладывает фундаментальное ограничение на такие процессы. Одна из его формулировок (постулат Кельвина) утверждает, что невозможно создать тепловую машину, которая, работая в цикле, производила бы только один эффект — превращение в работу всей теплоты, полученной от одного источника (нагревателя). Такой гипотетический двигатель называют "вечным двигателем второго рода".

Процесс, в котором вся внутренняя энергия тела преобразуется в работу, эквивалентен работе тепловой машины со 100% КПД, что невозможно. Для того чтобы тепловая энергия превращалась в работу, необходима разность температур, то есть нужен не только "нагреватель" (тело, отдающее энергию), но и "холодильник" (тело с более низкой температурой), которому будет передана часть энергии, не превратившаяся в работу. Таким образом, в работу можно превратить лишь часть внутренней энергии, но никогда не всю.

Следовательно, совершить механическую работу в 1000 Дж, полностью использовав для этого внутреннюю энергию тела в 1000 Дж, невозможно.

Ответ:

Нет, нельзя. Превращение всей внутренней энергии тела в механическую работу противоречит второму закону термодинамики. Для совершения работы за счёт внутренней (тепловой) энергии необходим процесс, в котором часть энергии будет передана более холодному телу (окружающей среде). Поэтому работа, совершённая за счёт внутренней энергии, всегда будет меньше этой энергии.