ID: 00010586
В горизонтальном сосуде, закрытом поршнем, находится разреженный газ. Максимальная сила трения между поршнем и стенками сосуда составляет $F_{тр.макс}$, а площадь поршня равна S. На pТ-диаграмме показано, как изменялись давление и температура разреженного газа в процессе его нагревания. Как изменялся объём газа (увеличивался, уменьшался или же оставался неизменным) на участках 1−2 и 2−3? Объясните причины такого изменения объёма газа в процессе его нагревания, указав, какие физические явления и закономерности вы использовали для объяснения.
Источник: ФИПИ
Поршень в сосуде удерживается силой трения: пока сила давления газа на поршень не превысит максимальную силу трения, поршень стои́т на месте. Это и определяет, как меняется объём.
Участок 1–2. На $p$–$T$-диаграмме точки лежат на прямой, идущей в начало координат: давление прямо пропорционально температуре, $p\propto T$. Такая зависимость при постоянном объёме — это закон Шарля ($\frac{p}{T}=\text{const}$). Значит, объём не меняется: газ нагревают, его давление растёт, но поршень пока неподвижен, потому что сила давления ещё не превзошла максимальную силу трения. Объём на участке 1–2 оставался неизменным.
Участок 2–3. Здесь давление постоянно (горизонтальный отрезок), а температура растёт. Постоянное давление означает, что поршень пришёл в движение: сила давления газа достигла значения, при котором уравновешивает трение, и дальше остаётся такой же. Это изобарный процесс, для него закон Гей-Люссака $\frac{V}{T}=\text{const}$: при росте температуры объём растёт. Объём на участке 2–3 увеличивался.
Коротко: сначала газ «накапливал» давление при неподвижном поршне (объём постоянен), а затем, преодолев трение, толкал поршень при постоянном давлении (объём растёт).
На участке 1–2 объём не менялся (давление прямо пропорционально температуре — это изохора; поршень удерживается силой трения). На участке 2–3 объём увеличивался (давление постоянно — поршень преодолел трение и движется; это изобара, и при росте температуры объём растёт).