Номер 1, страница 87 - гдз по физике 10 класс учебник Громыко, Зенькович

1. Объясните изменение внутренней энергии тела при теплообмене и совершении работы:

Решение

Изменение внутренней энергии тела происходит двумя способами: путем совершения работы над телом (или самим телом) и путем теплообмена с окружающей средой. Эти два процесса описываются первым законом термодинамики.

Внутренняя энергия ($U$) — это сумма кинетической энергии хаотического движения всех частиц (атомов, молекул, ионов), из которых состоит тело, и потенциальной энергии их взаимодействия друг с другом.

Изменение внутренней энергии при теплообмене

Теплообмен (или теплопередача) — это процесс передачи энергии от более нагретого тела к менее нагретому без совершения механической работы. Количество энергии, переданное в процессе теплообмена, называется количеством теплоты ($Q$).

• Если тело получает теплоту ($Q > 0$), его внутренняя энергия увеличивается. Например, при нагревании воды на плите, частицы воды начинают двигаться быстрее, и внутренняя энергия воды растет.
• Если тело отдает теплоту ($Q < 0$), его внутренняя энергия уменьшается. Например, когда горячий чай остывает, он отдает теплоту в окружающий воздух, и его внутренняя энергия уменьшается.

Изменение внутренней энергии при совершении работы

Внутренняя энергия тела может изменяться в результате совершения механической работы. Работа может совершаться как над телом внешними силами, так и самим телом над внешними объектами.

• Если над телом совершается работа внешними силами ($A' > 0$), его внутренняя энергия увеличивается. Например, при быстром сжатии газа в насосе мы совершаем работу, что приводит к увеличению кинетической энергии молекул газа и, как следствие, к росту его внутренней энергии и температуры. Другой пример — трение: при трении ладоней друг о друга совершается работа, которая переходит во внутреннюю энергию, и ладони нагреваются.
• Если тело само совершает работу над внешними телами ($A > 0$), его внутренняя энергия уменьшается (при условии отсутствия теплообмена). Например, расширяясь, газ в цилиндре толкает поршень, совершая работу. Эта работа совершается за счет уменьшения внутренней энергии газа, поэтому газ охлаждается.

Первый закон термодинамики

Оба способа изменения внутренней энергии объединяются в первом законе термодинамики, который является выражением закона сохранения энергии для тепловых процессов. Он гласит, что изменение внутренней энергии системы ($\Delta U$) при переходе из одного состояния в другое равно сумме количества теплоты ($Q$), переданного системе, и работы ($A'$), совершенной внешними силами над системой.

Математически это выражается формулой:

$ \Delta U = Q + A' $

где:
$\Delta U$ — изменение внутренней энергии системы;
$Q$ — количество теплоты, полученное системой ($Q>0$, если теплота подводится к системе; $Q<0$, если отводится);
$A'$ — работа, совершенная над системой внешними силами ($A'>0$, если над системой совершают работу, например, сжимают газ; $A'<0$, если система сама совершает работу, например, расширяется).

Часто используется форма записи через работу $A$, совершаемую самой системой: $A = -A'$. Тогда формула принимает вид: $ \Delta U = Q - A $.

Ответ: Внутренняя энергия тела, представляющая собой сумму кинетических и потенциальных энергий его частиц, может изменяться двумя способами. Первый способ — теплообмен: при получении тепла ($Q > 0$) от более горячих тел внутренняя энергия растет, а при отдаче тепла ($Q < 0$) — убывает. Второй способ — совершение работы: когда над телом совершают механическую работу внешние силы ($A' > 0$), его внутренняя энергия увеличивается; когда тело само совершает работу ($A > 0$, что эквивалентно $A' < 0$), его внутренняя энергия уменьшается. Оба эти процесса количественно связывает первый закон термодинамики: изменение внутренней энергии ($\Delta U$) равно сумме количества теплоты ($Q$), переданного телу, и работы ($A'$), совершенной над телом внешними силами: $ \Delta U = Q + A' $.