Задание, страница 90 - гдз по физике 8 класс учебник Закирова, Аширов

Задания

1. Приведите примеры необратимых процессов в природе.

2. Докажите, что приведенные вами примеры не противоречат первому закону термодинамики.

1. Приведите примеры необратимых процессов в природе.

Необратимыми называются процессы, которые могут самопроизвольно протекать только в одном определенном направлении. В природе все реальные макроскопические процессы являются необратимыми. Вот несколько примеров:

а) Диффузия: Распространение запаха в воздухе или растворение капли чернил в стакане с водой. Молекулы вещества самопроизвольно распределяются по всему доступному объему, стремясь к состоянию с максимальной неупорядоченностью (энтропией), но никогда не собираются обратно в исходное концентрированное состояние без внешнего воздействия.

б) Теплообмен: Передача тепла от горячего тела к холодному. Например, остывание чашки с горячим чаем. Тепло всегда переходит от более нагретого тела к менее нагретому, и никогда самопроизвольно в обратном направлении, хотя это не противоречило бы закону сохранения энергии.

в) Трение: Превращение упорядоченной механической энергии в неупорядоченную тепловую. Например, автомобиль тормозит, и его кинетическая энергия за счет трения колодок о диски переходит во внутреннюю энергию (нагрев). Обратный процесс — самопроизвольное превращение тепла в кинетическую энергию автомобиля — невозможен.

г) Биологические процессы: Рост, развитие и старение живых организмов. Эти процессы имеют строгую временную направленность и не могут протекать в обратном порядке.

Ответ: Примерами необратимых процессов в природе являются диффузия (растворение сахара в воде), теплообмен между телами с разной температурой (остывание нагретого камня), превращение механической энергии во внутреннюю за счет трения (торможение), а также все биологические процессы (рост, старение).

2. Докажите, что приведенные вами примеры не противоречат первому закону термодинамики.

Первый закон термодинамики является фундаментальным законом природы — это закон сохранения энергии для термодинамических систем. В соответствии с ним, количество теплоты ($Q$), переданное системе, идет на изменение ее внутренней энергии ($\Delta U$) и на совершение системой работы ($A'$) над внешними телами. Математически это выражается формулой: $Q = \Delta U + A'$.

Этот закон лишь утверждает, что энергия не может быть создана из ничего или исчезнуть бесследно, она лишь переходит из одной формы в другую. Он не накладывает никаких ограничений на направление протекания процессов. Докажем, что в рассмотренных примерах энергия сохраняется.

а) Диффузия: В процессе диффузии чернил в воде, если рассматривать систему "чернила + вода" как изолированную, не происходит обмена теплом с окружающей средой ($Q=0$) и не совершается внешняя работа ($A'=0$). Следовательно, согласно первому закону, изменение внутренней энергии системы равно нулю: $\Delta U = Q - A' = 0$. Энергия системы сохраняется, происходит лишь ее перераспределение в пространстве и переход в более вероятное состояние. Таким образом, закон сохранения энергии не нарушается.

б) Теплообмен: При остывании горячего тела и нагревании холодного тела в изолированной системе происходит передача энергии в виде тепла от одной части системы к другой. Внутренняя энергия горячего тела уменьшается на некоторую величину, а внутренняя энергия холодного тела увеличивается на точно такую же величину. Суммарная энергия системы остается постоянной. Первый закон термодинамики выполняется.

в) Трение: При торможении объекта его кинетическая энергия (форма механической энергии) переходит во внутреннюю энергию трущихся поверхностей и окружающей среды, то есть в тепло. Происходит превращение одного вида энергии в другой. Общее количество энергии при этом остается неизменным в соответствии с законом сохранения энергии.

Таким образом, во всех необратимых процессах закон сохранения энергии (первый закон термодинамики) строго выполняется. Необратимость этих процессов объясняется не нарушением первого закона, а вторым законом термодинамики, который вводит понятие энтропии и утверждает, что в изолированных системах энтропия не может убывать, что и задает "стрелу времени" для физических процессов.

Ответ: Приведенные примеры необратимых процессов не противоречат первому закону термодинамики, так как он является законом сохранения энергии. Во всех этих процессах энергия не исчезает и не создается, а лишь переходит из одной формы в другую (например, из механической во внутреннюю) или перераспределяется между частями системы. Общее количество энергии в изолированной системе всегда остается постоянным.