Номер 4, страница 81 - гдз по физике 10 класс учебник Громыко, Зенькович

4. Почему расширение газа при отсутствии теплообмена с окружающей средой сопровождается его охлаждением?

Расширение газа при отсутствии теплообмена с окружающей средой называется адиабатным расширением. Охлаждение газа в этом процессе объясняется с помощью первого начала термодинамики.

Первое начало термодинамики устанавливает связь между изменением внутренней энергии системы ($ \Delta U $), количеством теплоты, переданным системе ($ Q $), и работой, совершенной системой ($ A $):
$ \Delta U = Q - A $

В случае адиабатного расширения газа:
1. Теплообмен с окружающей средой отсутствует по определению процесса, поэтому количество теплоты $ Q = 0 $.
2. Газ расширяется, то есть совершает работу против внешних сил (например, толкает поршень). Это означает, что работа, совершаемая газом, $ A $ положительна ($ A > 0 $).

Если подставить эти условия в уравнение первого начала термодинамики, получим:
$ \Delta U = 0 - A = -A $

Поскольку работа $ A $ положительна, изменение внутренней энергии $ \Delta U $ является отрицательной величиной. Это означает, что внутренняя энергия газа уменьшается.

Внутренняя энергия идеального газа представляет собой сумму кинетических энергий хаотического движения его молекул и прямо пропорциональна его абсолютной температуре. Следовательно, уменьшение внутренней энергии приводит к уменьшению средней кинетической энергии молекул газа, что и означает понижение его температуры, то есть охлаждение.

Ответ: При расширении без теплообмена с окружающей средой (адиабатном расширении) газ совершает работу против внешних сил за счет своей собственной внутренней энергии. Согласно первому началу термодинамики, изменение внутренней энергии $ \Delta U = Q - A $. Поскольку теплообмен отсутствует ($ Q = 0 $), а работа расширения положительна ($ A > 0 $), то $ \Delta U = -A < 0 $. Уменьшение внутренней энергии, которая напрямую связана с температурой, и приводит к охлаждению газа.