Задания 1–5 — Глава 13. § 84. Первый закон термодинамики

Первый закон термодинамики — закон сохранения энергии для тепловых процессов: изменение внутренней энергии системы при переходе из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданной системе: ΔU = A + Q. Если рассматривать работу самой системы A′ = −A, то Q = ΔU + A′: переданная системе теплота идёт на изменение внутренней энергии и на совершение системой работы над внешними телами.

Изменение внутренней энергии ΔU = U₂ − U₁ отрицательно, когда внутренняя энергия системы уменьшается, то есть U₂ < U₁. По первому закону ΔU = A + Q это бывает, когда система отдаёт теплоту (Q < 0) и (или) совершает работу над внешними телами (A′ > 0, A < 0) в количестве, превышающем полученную энергию. Для идеального газа это то же самое, что понижение температуры (ΔT < 0): например, при охлаждении газа или его адиабатном расширении.

Внутренняя энергия — функция состояния: в каждом состоянии система обладает вполне определённой внутренней энергией (например, U = (3/2)νRT для одноатомного идеального газа). Работа и количество теплоты — характеристики процесса изменения внутренней энергии: они определяют, насколько и каким способом изменилась энергия при переходе системы из одного состояния в другое. Одно и то же изменение ΔU можно получить и за счёт теплообмена, и за счёт работы, поэтому о запасе теплоты или работы в системе говорить нельзя.

Нет. Изолированная система не обменивается с окружающей средой ни энергией (A = 0, Q = 0), ни веществом. Постоянство температуры этого не гарантирует: например, при изотермическом процессе идеальный газ получает теплоту от термостата и совершает такую же работу (Q = A′, ΔU = 0), то есть обмен энергией с окружающими телами идёт. В изолированной системе постоянна внутренняя энергия, но температура может и меняться (при фазовых переходах она, наоборот, может не меняться при подводе теплоты).

При изотермическом процессе T = const, а внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры, поэтому ΔU = 0. Из первого закона Q = ΔU + A′ = 0 + 2000 Дж = 2000 Дж.
Ответ: системе сообщено количество теплоты 2000 Дж.

Первый закон: Q = ΔU + A′, откуда ΔU = Q − A′ = 300 Дж − 100 Дж = +200 Дж. ΔU > 0, внутренняя энергия увеличилась.
Ответ: 2) увеличилась на 200 Дж.

Q = ΔU + A′ = 300 Дж + 300 Дж = 600 Дж > 0, значит, газ получил 600 Дж теплоты.
Ответ: 3) получил 600 Дж.

ΔU = −60 кДж, A′ = 45 кДж. Q = ΔU + A′ = −60 + 45 = −15 кДж. Знак минус означает, что газ отдал 15 кДж теплоты.
Ответ: 1) 15 кДж.

Q = 3 кДж, ΔU = −13 кДж. A′ = Q − ΔU = 3 − (−13) = 16 кДж.
Ответ: 4) 16 кДж.

По первому закону ΔU = A + Q, где A — работа внешних сил. A = ΔU − Q = −100 Дж − 100 Дж = −200 Дж. Работа внешних сил отрицательна: газ сам совершил работу 200 Дж.
Ответ: 3) −200 Дж.