ID: 00015249
В начальный момент в сосуде под лёгким поршнем находится только жидкий эфир. На рисунке схематично представлен график зависимости температуры $t$ эфира от времени его нагревания и последующего охлаждения. Из приведённого ниже списка выберите все утверждения, которые верно отражают результаты этого опыта.
1) На участке $E\ddot{E}$ внутренняя энергия эфира увеличивается.
2) В точке $C$ эфир закипел.
3) Температура кипения эфира равна $40\ ^\circ\text{C}$.
4) В точке $F$ в сосуде в жидком и газообразном состоянии находятся равные массы эфира.
5) Время, за которое весь эфир выкипел, приблизительно равно времени, за которое он весь сконденсировался.
Источник: ФИПИ
Эфир сначала греют, потом охлаждают, а график показывает, что происходило с его температурой. Вся задача — научиться читать этот график: где вещество просто нагревается, а где кипит или конденсируется.
Что видно на рисунке. По горизонтали отложено время $\tau$, по вертикали — температура $t$ в градусах Цельсия (подписаны деления $20$, $40$, $60$). Ломаная проходит через точки $A$, $B$, $C$, $D$, $E$, $F$, $G$:
$A\to B$ — температура растёт от $20\ ^\circ\text{C}$ до $40\ ^\circ\text{C}$.
$B\to C$ — длинная горизонтальная полка на уровне ровно $40\ ^\circ\text{C}$: тепло подводят, а температура стоит.
$C\to D$ — температура снова растёт, примерно до $67\ ^\circ\text{C}$.
$D\to E$ — температура падает обратно до $40\ ^\circ\text{C}$ (начали охлаждать).
$E\to F$ — вторая горизонтальная полка на уровне $40\ ^\circ\text{C}$, примерно такой же длины, как полка $BC$.
$F\to G$ — температура падает до $20\ ^\circ\text{C}$.
Как это читать. Наклонный участок — вещество просто греется или остывает, и всё подведённое тепло идёт на изменение температуры. Горизонтальная полка при нагревании — идёт кипение: тепло подводят, но оно целиком уходит на превращение жидкости в пар, поэтому температура замирает. Горизонтальная полка при охлаждении — обратный процесс, конденсация: пар превращается в жидкость и при этом сам отдаёт тепло, поэтому температура тоже стоит на месте.
Значит, картина опыта такая: $AB$ — грелась жидкость, $BC$ — жидкость кипела (в точке $B$ кипение началось, в точке $C$ последняя капля превратилась в пар), $CD$ — грелся уже пар, $DE$ — пар остывал, $EF$ — пар конденсировался (в $F$ он весь стал жидкостью), $FG$ — остывала жидкость.
Утверждение 1 — про участок $EF$, ту самую полку при охлаждении. Там идёт конденсация: вещество отдаёт тепло окружающей среде. Раз энергия уходит наружу, внутренняя энергия эфира уменьшается, а не растёт. Неверно.
Утверждение 2. Точка $C$ — это конец полки кипения, а не её начало. Закипел эфир в точке $B$, а в точке $C$ кипение уже закончилось: жидкости не осталось. Неверно.
Утверждение 3. Температура кипения — это уровень, на котором держится полка кипения. По рисунку полка $BC$ лежит ровно на отметке $40\ ^\circ\text{C}$. Значит температура кипения эфира равна $40\ ^\circ\text{C}$. Верно.
Утверждение 4. Точка $F$ — конец полки конденсации. Пар к этому моменту сконденсировался полностью, в сосуде осталась только жидкость, поэтому «равных масс жидкости и пара» там нет. Равные массы были бы примерно в середине полки $EF$, а не в её конце. Неверно.
Утверждение 5. Время выкипания — это длина полки $BC$ по горизонтали, время конденсации — длина полки $EF$. На рисунке эти два отрезка примерно одинаковы по длине. Верно.
Проверка себя. Логично, что полки почти равны: чтобы испарить всю массу эфира, нужно передать ему теплоту $Q=Lm$, а при обратной конденсации той же массы ровно столько же теплоты выделяется. При примерно одинаковой скорости подвода и отвода тепла и времена получаются почти одинаковыми.
Верны утверждения под номерами $3$ и $5$.