Ответьте на вопросы, страница 88 - гдз по физике 8 класс учебник Закирова, Аширов

Ответьте на вопросы

1. Почему невозможен вечный двигатель первого рода?

2. Почему работа газа и работа внешних сил равны по значению, но противоположны по знаку?

3. Почему на небе остается след при полете самолета с реактивным двигателем?

4. Почему при сжатии газы нагреваются?

1. Вечный двигатель первого рода (perpetuum mobile) — это гипотетическое устройство, способное совершать работу бесконечно долго, не потребляя при этом энергии извне. Создание такого двигателя невозможно, так как это прямо противоречит первому началу термодинамики, которое является частным случаем фундаментального закона сохранения энергии. Согласно этому закону, энергия не может быть создана из ничего или уничтожена; она может только переходить из одной формы в другую. Первое начало термодинамики для тепловых процессов записывается как $ \Delta U = Q - A' $, где $ \Delta U $ — изменение внутренней энергии системы, $ Q $ — количество теплоты, сообщенное системе, и $ A' $ — работа, совершаемая системой. Вечный двигатель должен был бы совершать работу ($ A' > 0 $) без подвода теплоты ($ Q = 0 $) и без уменьшения своей внутренней энергии. Если двигатель работает циклически, то по завершении каждого цикла он возвращается в исходное состояние, и изменение его внутренней энергии равно нулю ($ \Delta U = 0 $). В таком случае из первого начала термодинамики следует, что $ A' = Q $. Если не подводить энергию извне ($ Q = 0 $), то и работа совершаться не будет ($ A' = 0 $). Таким образом, машина, которая производит энергию из ничего, нарушила бы закон сохранения энергии.

Ответ: Создание вечного двигателя первого рода невозможно, так как это противоречит закону сохранения энергии (первому началу термодинамики), согласно которому нельзя получить работу без затрат энергии.

2. Рассмотрим газ, заключенный в сосуде с подвижным поршнем. Работа газа и работа внешних сил связаны с движением этого поршня. Когда газ расширяется, он давит на поршень с силой $ \vec{F}_{газа} $ и перемещает его. Работа, совершаемая газом, $ A'_{газа} $ при этом положительна, так как направление силы и перемещения совпадают. В то же время на поршень действуют внешние силы (например, атмосферное давление), создавая силу $ \vec{F}_{внешн} $. В квазиравновесном процессе, когда поршень движется медленно, эти силы уравновешивают друг друга в каждый момент времени, то есть они равны по модулю и противоположны по направлению: $ \vec{F}_{внешн} = -\vec{F}_{газа} $. Работа, совершаемая над газом внешними силами, $ A_{внешн} $, определяется той же величиной перемещения поршня. Используя связь между силами, получаем: $ A_{внешн} = -A'_{газа} $. Таким образом, работа, совершаемая внешними силами над системой, равна по модулю работе, совершаемой системой (газом), но имеет противоположный знак. Если газ расширяется, он совершает положительную работу, а работа внешних сил отрицательна. Если газ сжимается, он совершает отрицательную работу, а работа внешних сил — положительна.

Ответ: Работа газа и работа внешних сил равны по модулю и противоположны по знаку из-за третьего закона Ньютона: сила действия (со стороны газа) равна по величине и противоположна по направлению силе противодействия (со стороны внешних тел). Поскольку работа определяется одной и той же величиной перемещения, но противоположно направленными силами, знаки работ оказываются противоположными: $ A_{внешн} = -A'_{газа} $.

3. След, остающийся в небе за летящим самолетом с реактивным двигателем, называется конденсационным следом. Его появление связано с продуктами сгорания авиационного топлива (керосина) и условиями на большой высоте. В процессе сгорания топлива в двигателе образуется большое количество горячих газов, в том числе углекислый газ ($ CO_2 $) и водяной пар ($ H_2O $). Эти раскаленные газы выбрасываются из сопла двигателя в атмосферу. Самолеты совершают полеты на высотах 8–12 км, где температура окружающего воздуха очень низкая (от -40°C до -60°C). Когда горячий и влажный выхлопной газ смешивается с холодным воздухом, водяной пар резко охлаждается и конденсируется, превращаясь в мельчайшие капельки воды или, что более вероятно при таких температурах, сразу кристаллизуется, образуя ледяные кристаллы. Именно эти миллионы крошечных ледяных кристаллов и формируют видимый с земли белый след. Этот процесс аналогичен тому, как мы видим свой пар изо рта в морозный день.

Ответ: След за самолетом — это конденсационный след, состоящий из кристалликов льда. Он образуется, когда горячий водяной пар, являющийся продуктом сгорания топлива в двигателе, попадает в очень холодную атмосферу на большой высоте и там замерзает.

4. Нагревание газов при сжатии объясняется первым началом термодинамики. Оно формулируется так: изменение внутренней энергии системы $ \Delta U $ равно сумме сообщенной ей теплоты $ Q $ и работы $ A $, совершенной над ней внешними силами: $ \Delta U = Q + A $. При сжатии газа внешние силы совершают над ним положительную работу ($ A > 0 $), так как сила, приложенная к газу, направлена так же, как и перемещение его границы (например, поршня). Если сжатие происходит достаточно быстро (адиабатно), то газ не успевает обменяться теплом с окружающей средой, и можно считать, что $ Q = 0 $. В этом случае всё изменение энергии сводится к работе: $ \Delta U = A $. Поскольку $ A > 0 $, то и $ \Delta U > 0 $, то есть внутренняя энергия газа увеличивается. Внутренняя энергия идеального газа прямо пропорциональна его абсолютной температуре ($ U \sim T $). Следовательно, увеличение внутренней энергии приводит к повышению температуры газа. С микроскопической точки зрения, при сжатии молекулы газа сталкиваются с движущейся стенкой (поршнем) и отскакивают от нее с большей скоростью, что увеличивает их среднюю кинетическую энергию, а значит, и температуру всего газа.

Ответ: При сжатии газа внешние силы совершают над ним работу, которая, согласно первому началу термодинамики, переходит в его внутреннюю энергию, увеличивая ее. Поскольку внутренняя энергия газа напрямую связана с его температурой, газ нагревается.