Рабочий лист «Применение законов термодинамики» по физике, 10 класс

Инструкция для ученика: Внимательно прочитайте каждое задание и запишите ответ в отведённом месте. Используйте расчёты, формулы и короткие рассуждения, где требуется. На некоторые задания отведено место для рисунка или схемы — при необходимости нарисуйте карандашом. Постарайтесь отвечать чётко и полно.

1. Опишите первый закон термодинамики.
   Кратко запишите формулировку и математический вид закона, поясните смысл членов уравнения (какие величины обозначают Q, W, ΔU).
   Место для ответа:
   

    

2. Рассчитайте изменение внутренней энергии.
   В систему подведено тепло Q = 500 Дж, при этом система совершила работу W = 200 Дж над внешними телами. Найдите изменение внутренней энергии ΔU и укажите, увеличилась она или уменьшилась.
   Место для ответа:
   

    

3. Циклический процесс.
   В цикле тепловой машины суммарное тепло, полученное от нагревателя за цикл, равно 600 Дж. Объясните, чему равно изменение внутренней энергии за полный цикл и какое отношение между суммарным полученным теплом и выполненной работой. Ответ поясните коротко.
   Место для ответа:
   

    

4. Формулировки второго закона термодинамики.
   Запишите две классические формулировки второго закона (Клаузиуса и Кельвина–Планка) и кратко объясните, в чём их смысл и как они связаны.
   Место для ответа:
   

    

5. Максимальная эффективность цикла Карно.
   Тепловой двигатель работает между нагревателем с температурой T1 = 600 К и холодильником T2 = 300 К. Найдите максимальную (карновскую) эффективность η_max. Покажите расчёт.
   Запишите расчёт (одно выражение в строке):
   

   η_max = 1 - T2/T1 = 1 - 12 = 12

   Место для ответа / проверка рассчёта:
   

    

6. Изменение энтропии при обратимом процессе.
   При обратимом процессе система получает тепло Q_rev = 200 Дж при неизменной температуре T = 400 К. Найдите изменение энтропии системы ΔS. Запишите расчёт в одну строку.
   

   ΔS = Q_rev / T = 200400 = 12 Дж/К

   Место для ответа / рассуждения:
   

    

7. Холодильник и коэффициент полезного действия (COP).
   Объясните, как работает холодильник с точки зрения первого и второго законов термодинамики. Запишите формулу для коэффициента полезного действия холодильной машины (COP = Q_c / W) и поясните, почему для холодильника требуется подвод работы. Место для ответа:
   

    

8. Спонтанный процесс: направление теплообмена.
   На рисунке справа изобразите два тела: одно с температурой T_hot, другое с T_cold (T_hot > T_cold). Покажите стрелками направление потока тепла и подпишите, как изменяется энтропия каждого тела и суммарная энтропия вселенной при этом процессе (рост/падение).
   Место для рисунка и подписей:
   

   Рисунок (нарисуйте здесь)

9. Практическая задача по эффективности.
   Тепловой двигатель получает от нагревателя Q_in = 1000 Дж и совершает полезную работу W = 300 Дж. Найдите его эффективность η и представьте результат в виде дроби и десятичного числа: η = W/Q_in = 310 = 0.3. Сравните полученную эффективность с карновской эффективностью для тех же температур T1 = 500 К и T2 = 300 К (вычислите η_Carnot и скажите, является ли работа двигателя возможной с учётом второго закона).
   Место для ответов и вычислений:
   

    

10. Почему невозможен вечный двигатель второго рода?
    Коротко поясните, почему, согласно второму закону термодинамики, нельзя создать машину, которая превращает всё получаемое тепло в работу без каких-либо других последствий (поясните смысл запрета и приведите одно простое рассуждение).
    Место для ответа: