ID: 00007723
С некоторым количеством идеального газа проводят процесс 1−2, для которого график зависимости давления от объёма представляет собой на $pV$ - диаграмме прямую линию. Параметры начального и конечного состояний процесса: $p_1 = 3$ атм, $V_1 = 1$ л, $p_2 = 1$ атм, $V_2 = 4$ л. Какой объём $Vм$ соответствует максимальной температуре газа в данном процессе?
Источник: ФИПИ
$p_1 = 3 \cdot 10^5 \text{ Па}, \quad V_1 = 1 \cdot 10^{-3} \text{ м}^3, \quad p_2 = 1 \cdot 10^5 \text{ Па}, \quad V_2 = 4 \cdot 10^{-3} \text{ м}^3$
$V$ при $T_{\max}$
По уравнению состояния идеального газа $pV = \nu RT$, температура максимальна при максимальном произведении $pV$.
Уравнение прямой, проходящей через точки $(V_1, p_1)$ и $(V_2, p_2)$:
$$\frac{p - p_1}{p_2 - p_1} = \frac{V - V_1}{V_2 - V_1}$$
Выражаем $p(V)$:
$$p = p_1 + \frac{p_2 - p_1}{V_2 - V_1}(V - V_1)$$
Произведение:
$$pV = p_1 V + \frac{p_2 - p_1}{V_2 - V_1}(V - V_1)V$$
Функция $f(V) = pV$ является квадратичной по $V$ (парабола, ветви вниз, так как $p_2 - p_1 \lt 0$). Экстремум находим через производную:
$$\frac{d(pV)}{dV} = 0$$
$$p_1 + \frac{p_2 - p_1}{V_2 - V_1}(2V - V_1) = 0$$
Решаем:
$$V = \frac{p_2 V_1 - p_1 V_2}{2(p_2 - p_1)}$$
Подставляем числа:
$$V = \frac{1 \cdot 10^5 \cdot 10^{-3} - 3 \cdot 10^5 \cdot 4 \cdot 10^{-3}}{2(1 \cdot 10^5 - 3 \cdot 10^5)} = \frac{10^2 - 12 \cdot 10^2}{2 \cdot (-2 \cdot 10^5)} = \frac{-11 \cdot 10^2}{-4 \cdot 10^5} = 2{,}75 \cdot 10^{-3} \text{ м}^3$$
$$V = 2{,}75 \text{ л}$$
2,75