Физика, полный курс для 10 класса

Урок: Первый закон термодинамики

**— Ребята, сегодня мы разберем один из ключевых законов физики — первый закон термодинамики. Он объединяет понятия внутренней энергии, работы и теплоты, а еще помогает понять, как работают двигатели, холодильники и даже наше собственное тело!

1. Внутренняя энергия

— Представьте, что у вас есть воздушный шарик, наполненный газом. Каждая его молекула движется, сталкивается со стенками, обладает энергией. Вся эта энергия вместе — внутренняя энергия (U).

— Для идеального газа её можно вычислить:

$$U=\frac{3}{2}\nu RT$$

— Чем выше температура, тем быстрее движутся молекулы, тем больше внутренняя энергия.

Пример из жизни:
— Когда вы накачиваете велосипедную шину насосом, она нагревается. Почему? Потому что вы совершаете работу, сжимая воздух, и его внутренняя энергия растёт!

2. Работа газа и количество теплоты

— Газ может совершать работу. Например, когда он расширяется и толкает поршень в двигателе. Работа (A) вычисляется так:

$$A=p\mathrm{\Delta }V$$

— Если газ расширяется (ΔV > 0), он совершает работу. Если сжимается (ΔV < 0) — работу совершают над ним.

— Количество теплоты (Q) — это энергия, переданная через нагрев. Например, когда вы кипятите воду, вы передаёте ей тепло:

$$Q=cm\mathrm{\Delta }T$$

Пример из жизни:
— Когда вы открываете газировку, газ резко расширяется и совершает работу (слышите «пшш»). При этом он охлаждается, потому что тратит энергию на расширение.

3. Первый закон термодинамики

— Теперь главное: первый закон термодинамики связывает всё воедино:

$$\mathrm{\Delta }U=Q-A$$

— Это значит: изменение внутренней энергии равно теплу, которое получил газ, минус работа, которую он совершил.

Разберём три случая:

1. Адиабатный процесс (нет теплообмена, Q = 0)
   — Например, быстрое сжатие газа в дизельном двигателе.

   $$\mathrm{\Delta }U=-A$$
   

   — Вся работа идёт на изменение внутренней энергии.

2. Изотермический процесс (температура постоянна, ΔU = 0)
   — Медленное сжатие газа, который успевает отдавать тепло.

   $$Q=A$$
   

   — Всё подведённое тепло уходит в работу.

3. Изохорный процесс (объём не меняется, A = 0)
   — Нагревание газа в закрытом баллоне.

   $$\mathrm{\Delta }U=Q$$
   

   — Вся энергия идёт на нагрев.

Пример из жизни:
— В холодильнике газ сжимается (работает компрессор), отдаёт тепло в комнату, а потом расширяется и забирает тепло из морозилки.

Заключение

— Итак, первый закон термодинамики — это закон сохранения энергии для тепловых процессов. Он объясняет, как работают машины, почему нагревается воздух в насосе и даже как мы согреваемся, дрожа на холоде (мышечная работа → тепло).

— Запомните формулу:

$$\mathrm{\Delta }U=Q-A$$

— И применяйте её везде: от чайника до космических двигателей!

— На этом всё. До следующего урока!