Първи принцип на термодинамиката. Невъзможност на вечния двигател
Първият принцип на термодинамиката е законът за запазване на енергията за топлинните процеси. Топлината Q, получена от газа, отива за изменение на вътрешната му енергия ΔU и за работата A, която газът извършва: Q = ΔU + A. От него следва, че не може да има машина, която извършва работа без да получава енергия. Такава въображаема машина се нарича вечен двигател от първи род и е невъзможна.
Какво да запомним
- Q = ΔU + A (A е работата, извършена от газа).
- Получена топлина: Q > 0; отдадена: Q < 0.
- При V = const: A = 0 и Q = ΔU.
- Вечен двигател от първи род е невъзможен.
- Реалните машини губят част от енергията като вътрешна (триене).
Пример
Газ получава 1000 J топлина и извършва 400 J работа: ΔU = Q − A = 1000 − 400 = 600 J.
Проверете се: 20 въпроса
Натиснете въпроса, за да видите верния отговор и обяснението.
Какво изразява първият принцип на термодинамиката?
- Закона за запазване на енергията при топлинни процеси
- Закона за инерцията
- Закона за скачените съдове
- Закона на Архимед
Отговор: Закона за запазване на енергията при топлинни процеси
Топлината, получена от газа, отива за изменение на вътрешната му енергия и за извършване на работа.
Газ получава 1000 J топлина и извършва работа 400 J. Как се изменя вътрешната му енергия?
- Увеличава се с 1400 J
- Намалява с 600 J
- Увеличава се с 400 J
- Увеличава се с 600 J
Отговор: Увеличава се с 600 J
ΔU = Q − A = 1000 − 400 = 600 J.
Газ получава 300 J топлина, а вътрешната му енергия нараства със 100 J. Каква работа е извършил газът?
- 200 J
- 400 J
- 100 J
- −200 J
Отговор: 200 J
A = Q − ΔU = 300 − 100 = 200 J.
Газ отдава 500 J топлина и в същото време извършва работа 200 J. Как се изменя вътрешната му енергия? (A е работата, извършена от газа)
- Намалява със 700 J
- Намалява с 300 J
- Увеличава се с 300 J
- Увеличава се със 700 J
Отговор: Намалява със 700 J
ΔU = Q − A = (−500) − 200 = −700 J.
Газ извършва работа 150 J, а вътрешната му енергия нараства с 350 J. Колко топлина е получил?
- 200 J
- 500 J
- 350 J
- −200 J
Отговор: 500 J
Q = ΔU + A = 350 + 150 = 500 J.
Как се записва първият принцип на термодинамиката, ако A е работата, извършена от газа?
- Q = ΔU + A
- Q = ΔU − A
- Q = A − ΔU
- Q = ΔU · A
Отговор: Q = ΔU + A
Получената топлина отива за изменение на вътрешната енергия и за работата на газа.
Газ получава 800 J топлина, а вътрешната му енергия не се изменя. Каква работа извършва газът?
- 0 J
- −800 J
- 800 J
- 1600 J
Отговор: 800 J
От Q = ΔU + A при ΔU = 0 следва A = Q = 800 J.
Над газ се извършва работа 300 J и той отдава 100 J топлина. Как се изменя вътрешната му енергия?
- Увеличава се с 400 J
- Намалява с 200 J
- Намалява с 400 J
- Увеличава се с 200 J
Отговор: Увеличава се с 200 J
Газът получава 300 J чрез работа и губи 100 J чрез топлина: ΔU = 300 − 100 = 200 J.
Газ получава 200 J топлина, но вътрешната му енергия намалява с 50 J. Каква работа е извършил газът?
- 150 J
- 250 J
- 50 J
- −250 J
Отговор: 250 J
A = Q − ΔU = 200 − (−50) = 250 J.
При кой процес цялата получена от газа топлина отива за увеличаване на вътрешната му енергия?
- При постоянна температура
- При постоянно налягане
- При постоянен обем
- При процес без топлообмен
Отговор: При постоянен обем
При постоянен обем газът не извършва работа (A = 0), затова Q = ΔU.
Какво е вечен двигател от първи род?
- Двигател, който работи с вода
- Двигател на слънчева енергия
- Двигател с КПД 30 %
- Машина, която извършва работа, без да получава енергия отвън
Отговор: Машина, която извършва работа, без да получава енергия отвън
Такава машина би създавала енергия от нищо.
Защо махало, оставено само, накрая спира?
- Енергията му изчезва
- Силата на тежестта спира да действа
- Механичната му енергия се превръща във вътрешна поради триене и съпротивление
- Масата му намалява
Отговор: Механичната му енергия се превръща във вътрешна поради триене и съпротивление
Енергията не изчезва, а се превръща във вътрешна енергия на махалото, окачването и въздуха.
Защо научните институции отказват да разглеждат проекти за вечен двигател?
- Твърде скъпи са
- Вдигат много шум
- Противоречат на закона за запазване на енергията
- Замърсяват въздуха
Отговор: Противоречат на закона за запазване на енергията
Всеки такъв проект нарушава първия принцип на термодинамиката.
Изобретател твърди, че двигателят му в цикъл получава 100 J топлина и извършва 120 J работа. Какво може да се каже?
- Възможно е, КПД е 120 %
- Възможно е, ако двигателят се охлажда
- Невъзможно е: работата не може да е по-голяма от получената енергия
- Възможно е, ако работи бавно
Отговор: Невъзможно е: работата не може да е по-голяма от получената енергия
В един цикъл ΔU = 0, значи A = Q и не може да надхвърли 100 J.
Колело с тежести по обиколката е познат проект за вечен двигател. Ще се върти ли то вечно?
- Не, триенето го спира и няма източник на енергия
- Да, тежестите винаги дърпат едната страна надолу
- Да, ако е достатъчно голямо
- Да, ако е от метал
Отговор: Не, триенето го спира и няма източник на енергия
Без външна енергия колелото може само да губи енергия поради триене, затова спира.
Възможно ли е да се построи вечен двигател от първи род?
- Не
- Да, с много силни магнити
- Да, ако няма триене
- Да, в космоса
Отговор: Не
Такъв двигател би извършвал работа без източник на енергия, което противоречи на закона за запазване на енергията.
Кой закон показва, че вечен двигател от първи род е невъзможен?
- Законът за запазване на енергията
- Законът на Паскал
- Законът на Архимед
- Законът на Ом
Отговор: Законът за запазване на енергията
Първият принцип на термодинамиката е законът за запазване на енергията при топлинни процеси.
Машина получава 1000 J енергия. Каква е най-голямата работа, която тя може да извърши?
- 2000 J
- Неограничена
- 1000 J
- 10 000 J
Отговор: 1000 J
Машината не може да извърши повече работа от получената енергия, а в действителност извършва по-малко заради загубите.
Защо всяка реална машина извършва по-малко полезна работа от получената енергия?
- Енергията изчезва
- Част от енергията се превръща във вътрешна заради триенето и други загуби
- Машината създава нова енергия
- Работата винаги е отрицателна
Отговор: Част от енергията се превръща във вътрешна заради триенето и други загуби
Енергията не изчезва, но част от нея отива за нагряване на частите на машината и околната среда.
Махало във вакуум и почти без триене се люлее много дълго. Вечен двигател ли е това?
- Да, защото никога не спира
- Да, защото е във вакуум
- Да, ако е достатъчно тежко
- Не, защото не извършва полезна работа; ако му отнемаме енергия, ще спре
Отговор: Не, защото не извършва полезна работа; ако му отнемаме енергия, ще спре
Вечният двигател трябва да извършва работа без да получава енергия. Махалото само запазва енергията си и спира, щом го натоварим.