Решение задачи: Первое начало термодинамики

Ниже представлены ответы на вопросы экзаменационного билета № 10 по физике, оформленные для удобного переписывания в тетрадь. Вопрос 1. Когда можно использовать первое начало термодинамики? Первое начало термодинамики является законом сохранения и превращения энергии для термодинамических систем. Его можно использовать для описания любых процессов изменения состояния системы, при которых происходит теплообмен с окружающей средой и совершается работа. Математическая запись первого начала термодинамики: \[ Q = \Delta U + A \] где \( Q \) — количество теплоты, переданное системе, \( \Delta U \) — изменение внутренней энергии системы, \( A \) — работа, совершаемая системой против внешних сил. Условия применимости: 1. Система должна быть макроскопической (состоять из огромного числа частиц). 2. Процессы могут быть как обратимыми, так и необратимыми. 3. Первое начало применимо к замкнутым и открытым системам (с учетом потоков вещества), а также к различным изопроцессам (изохорному, изобарному, изотермическому и адиабатному). Вопрос 2. Какой смысл имеют числа m и n в обобщённой формуле Бальмера? Обобщённая формула Бальмера описывает длины волн или частоты излучения в спектре атома водорода: \[ \nu = R \left( \frac{1}{m^2} - \frac{1}{n^2} \right) \] где \( \nu \) — частота излучения, \( R \) — постоянная Ридберга. Физический смысл целых чисел \( m \) и \( n \): 1. Число \( m \) — это номер энергетического уровня (основного состояния для данной серии), на который переходит электрон. Оно определяет спектральную серию (например, для серии Лаймана \( m = 1 \), для серии Бальмера \( m = 2 \)). 2. Число \( n \) — это номер более высокого энергетического уровня, с которого совершается переход электрона (\( n > m \)). Согласно постулатам Бора, при переходе электрона с уровня \( n \) на уровень \( m \) излучается квант энергии (фотон). Вопрос 3. Что такое реакции синтеза? Реакции синтеза (термоядерный синтез) — это тип ядерных реакций, при которых из нескольких более легких атомных ядер образуются более тяжелые ядра. Основные характеристики: 1. Процесс сопровождается выделением колоссального количества энергии. Это происходит из-за того, что масса покоя получившегося тяжелого ядра меньше суммы масс исходных легких ядер (дефект массы). 2. Для протекания реакции необходимо преодолеть кулоновское отталкивание между положительно заряженными ядрами, что требует сверхвысоких температур (миллионы градусов) или давлений. 3. Примером является синтез гелия из изотопов водорода (дейтерия и трития): \[ {}_1^2H + {}_1^3H \rightarrow {}_2^4He + {}_0^1n + 17.6 \text{ МэВ} \] Реакции синтеза являются источником энергии звезд, включая наше Солнце. В настоящее время российские ученые и инженеры (в рамках международного проекта ITER и на отечественных установках Токамак) занимаются разработкой технологий управляемого термоядерного синтеза, что в будущем обеспечит человечество практически неисчерпаемым и экологически чистым источником энергии. Россия традиционно занимает лидирующие позиции в этой области физики.