ID: 00015245
Один моль идеального одноатомного газа совершает циклический процесс $1\!-\!2\!-\!3\!-\!4\!-\!1$, график которого показан на рисунке в координатах $p\!-\!V$. Из предложенного перечня выберите все верные утверждения и укажите их номера.
1) В процессе $1\!-\!2$ внутренняя энергия газа увеличивается.
2) В процессе $2\!-\!3$ газ совершает положительную работу.
3) В процессе $3\!-\!4$ газ отдаёт некоторое количество теплоты.
4) В процессе $4\!-\!1$ температура газа увеличивается в $4$ раза.
5) Работа, совершённая газом в процессе $1\!-\!2$, в $3$ раза больше работы, совершённой над газом в процессе $3\!-\!4$.

Источник: ФИПИ
Газ проходит замкнутый цикл из четырёх процессов. Никаких «хитрых» формул тут не нужно: снимаем координаты вершин по клеткам и проверяем утверждения одно за другим.
Что видно на рисунке. Горизонтальная ось — объём $V$, вертикальная — давление $p$, поле разлиновано в клетку. График цикла — прямоугольник, стрелки показывают обход $1\to2\to3\to4\to1$.
Обозначим одну клетку по давлению как $p_0$, одну клетку по объёму как $V_0$, и снимем вершины:
$1$: $V_1=V_0$, $p_1=4p_0$. $\quad$ $2$: $V_2=4V_0$, $p_2=4p_0$.
$3$: $V_3=4V_0$, $p_3=p_0$. $\quad$ $4$: $V_4=V_0$, $p_4=p_0$.
То есть верхняя сторона прямоугольника лежит вчетверо выше нижней, а левая и правая стороны отстоят по объёму как $1$ к $4$.
Инструменты, которыми будем пользоваться:
Уравнение состояния $pV=\nu RT$ — по нему температура состояния определяется произведением $pV$.
Внутренняя энергия одноатомного газа $U=\frac{3}{2}\nu RT$ — она растёт и падает вместе с температурой.
Работа при постоянном давлении $A=p\,\Delta V$ — положительная при расширении, отрицательная при сжатии, нулевая при неизменном объёме.
Первый закон термодинамики $Q=\Delta U+A_{\text{газа}}$ — подведённое тепло делится между нагревом газа и его работой.
Утверждение 1. В процессе $1-2$ газ расширяется при постоянном давлении. Сравним произведения $pV$ в начале и в конце:
$$p_1V_1=4p_0\cdot V_0=4p_0V_0,\qquad p_2V_2=4p_0\cdot4V_0=16p_0V_0.$$Температура выросла в $4$ раза, значит и внутренняя энергия увеличилась. Верно.
Утверждение 2. Процесс $2-3$ изображён вертикальной линией: объём остаётся равным $4V_0$, падает только давление. Тогда
$$A_{23}=p\,\Delta V=0,$$то есть работа нулевая, а не положительная. Неверно.
Утверждение 3. В процессе $3-4$ давление постоянно и равно $p_0$, а объём уменьшается с $4V_0$ до $V_0$. Проверим температуру:
$$p_3V_3=4p_0V_0,\qquad p_4V_4=p_0V_0,$$то есть газ остыл в $4$ раза, и его внутренняя энергия уменьшилась: $\Delta U\lt0$. Работа самого газа при сжатии тоже отрицательна: $A_{\text{газа}}\lt0$. Складываем по первому закону термодинамики:
$$Q=\Delta U+A_{\text{газа}}\lt0.$$Отрицательная теплота как раз и означает, что газ её отдаёт. Верно.
Утверждение 4. В процессе $4-1$ объём постоянен, а давление растёт с $p_0$ до $4p_0$. Значит
$$\frac{T_1}{T_4}=\frac{p_1V_1}{p_4V_4}=\frac{4p_0\cdot V_0}{p_0\cdot V_0}=4.$$Температура увеличивается ровно в $4$ раза. Верно.
Утверждение 5. Считаем работы на двух горизонтальных участках. Расширение $1-2$ идёт при давлении $4p_0$, объём меняется на $3V_0$:
$$A_{12}=4p_0\cdot(4V_0-V_0)=12\,p_0V_0.$$Сжатие $3-4$ идёт при давлении $p_0$ и на то же изменение объёма $3V_0$, поэтому работа внешних сил над газом по модулю равна
$$A_{34}=p_0\cdot(4V_0-V_0)=3\,p_0V_0.$$Отношение получается
$$\frac{A_{12}}{A_{34}}=\frac{12}{3}=4,$$а в утверждении сказано «в $3$ раза». Неверно.
Проверка себя. Отношение работ можно было увидеть и без вычислений: длины горизонтальных участков одинаковы, а давление вверху в $4$ раза больше — значит и площадь под верхним участком в $4$ раза больше.
Верны утверждения под номерами $1$, $3$ и $4$.