Новая школа

Ниже приведён тест по физике на тему Первый закон термодинамики. Цель: открытые вопросы, для 10 класса. В конце — ответы и краткие решения.

Определите первый закон термодинамики. Запишите формулу, поясните каждую величину и знак. Приведите короткий пример, иллюстрирующий смысл закона.
Цилиндр с поршнем содержит идеальный газ. За процесс газ получает тепло Q = 300 Дж, а над окружающей средой совершается работа W = 100 Дж (газ расширяется). Найдите изменение внутренней энергии ΔU и поясните шаг.
В той же системе газ получает тепло Q = 500 Дж. В процессе окружение выполняет над газом работу W = 200 Дж. В рамках принятых знаков эта работа считается как W = -200 Дж. Найдите ΔU и объясните.
Блок льда массой 0,50 кг нагревают в жестком сосуде: от -10 °C до 0 °C, затем плавят при 0 °C. Используйте c_ice = 2,1 кДж/(кг·K) и латентное тепло плавления L_f = 334 кДж/кг. Найдите изменение внутренней энергии ΔU за весь процесс.
Газ в цилиндре охлаждается: Q = -150 Дж. Внешние силы сжимаются на газ и совершают работу W_ext = 60 Дж над системой. В рамках принятых условий W = -60 Дж. Найдите ΔU.
Кратко объясните смысл первого закона термодинамики в контексте работы холодильника и двигателя внутреннего сгорания: какие величины Q и W здесь участвуют, как они соотносятся с изменением внутренней энергии, и зачем устройство использует работу для переноса тепла.

Ответы (с краткими решениями)

Ответ:

ΔU = Q − W, где:
- ΔU — изменение внутренней энергии системы;
- Q — тепло, поступившее в систему (положительно, если тепло приходит в систему);
- W — работа, совершаемая системой над окружающей средой (положительно, если система делает работу над окружением; отрицательно, если окружающие выполняют работу над системой).
Пояснение: тепло увеличивает внутреннюю энергию, работа, совершаемая системой, уменьшает её. Пример: при добавлении тепла Q в систему ΔU растёт; если система выполняет работу, её внутренняя энергия уменьшается на величину W.

ΔU = Q − W = 300 Дж − 100 Дж = 200 Дж.
Поскольку окружение выполняет работу на систему, W = −200 Дж. Тогда ΔU = Q − W = 500 Дж − (−200 Дж) = 700 Дж.
В жестком сосуде изменение объёма без учёта энергозатрат на работу равняется нулю (W ≈ 0 для механической работы). Следовательно, ΔU = Q. Рассчитываем отдельно:

Нагрев от -10 °C до 0 °C: Q1 = m c_ice ΔT = 0,50 кг × 2,1 кДж/(кг·K) × 10 K = 10,5 кДж
Плавление при 0 °C: Q2 = m L_f = 0,50 кг × 334 кДж/кг = 167 кДж
Итого: ΔU = Q1 + Q2 = 10,5 кДж + 167 кДж = 177,5 кДж.

ΔU = Q − W = (−150 Дж) − (−60 Дж) = −90 Дж.
Примеры:

Двигатель внутреннего сгорания: часть теплоты от сгорания топлива идёт на повышение температуры и энергию внутреннего газа (ΔU>0), часть превращается в работу над колесами (W>0). В циклe двигателя за цикл ΔU ≈ 0 (возврат к начальному состоянию), но за отдельные процессы ΔU может быть положительным или отрицательным.
Холодильник: работа внешних сил подводит энергию к системе, чтобы перенести тепло от холодного места к тёплому. В холодильнике тепло Q обычно входит в систему и выходит из неё по ходу цикла; при этом внешняя работа W выполняется над системой (W < 0 по принятым условиям) и позволяет Q перемещаться против градиента температур.
В общем: первый закон гласит, что изменение внутренней энергии равно теплу, добавленному к системе, минус работе, совершаемой над ней: ΔU = Q − W.

Если нужно, могу адаптировать формулировки под конкретный учебник или дать дополнительные примеры и расчёты.

Бесплатный сервис «Учительская»

Тест на тему Первый закон термодинамики

Популярные тесты

Вопрос 1:

Вопрос 2:

Вопрос 3: