МКТ — Задание 24 ЕГЭ по физике №00016815
МКТ
№2. Задание 24
ID: 00016815
В закрытом горизонтальном цилиндре длиной l = 0,9 м, разделённом на две части тонким поршнем, который может двигаться без трения, находится идеальный газ при температуре t1 = 0 °C и давлении p1 = 105 Па в количествах v1 = 2,5 моля слева и v2 = 1,25 моля справа от поршня. В правую часть цилиндра впрыснули v3 = 0,15 моля жидкой воды, а затем нагрели всю систему до температуры T2 = 100 °С. На сколько и в какую сторону сдвинулся поршень в результате установления равновесия?
Источник: ФИПИ
Решение
Дано:
$l=0{,}9$ м; $\;T_1=0\,^\circ\text{C}=273$ К; $\;p_1=10^5$ Па; $\;\nu_1=2{,}5$ моль (слева); $\;\nu_2=1{,}25$ моль (справа); $\;\nu_3=0{,}15$ моль воды впрыснули справа; $\;T_2=100\,^\circ\text{C}=373$ К; $\;R=8{,}31\ \text{Дж/(моль}\cdot\text{К)}$.
Найти:
$\Delta x$ — на сколько и куда сдвинулся поршень.
Решение:
Поршень тут — как перегородка-судья между двумя командами газа: трения нет, поэтому он встаёт ровно туда, где давления с обеих сторон равны. А раз давления и температура у двух половин одинаковы, объём каждой половины пропорционален числу молекул в ней — кого больше, тот и «толкает» перегородку к сопернику.
Проверим испарение. Если бы все $0{,}15$ моль воды стали паром, его парциальное давление справа при $100\,^\circ\text{C}$ вышло бы около $1{,}5\cdot10^4$ Па — это меньше давления насыщенного пара воды при $100\,^\circ\text{C}$ ($10^5$ Па). Значит, вся вода испаряется и работает как идеальный газ.
Начальное положение. При равных $p_1$ и $T_1$ объёмы пропорциональны молям; всего $\nu_1+\nu_2=3{,}75$ моль. Длина левой части:
$$x_1=\frac{\nu_1}{\nu_1+\nu_2}\,l=\frac{2{,}5}{3{,}75}\cdot0{,}9=0{,}60\ \text{м}.$$
Конечное положение. После нагрева температура всюду $T_2$, давления снова уравнены поршнем, значит объёмы опять пропорциональны числу молекул. Слева остаётся $\nu_1=2{,}5$ моль, справа стало $\nu_2+\nu_3=1{,}4$ моль:
$$x_2=\frac{\nu_1}{\nu_1+\nu_2+\nu_3}\,l=\frac{2{,}5}{3{,}9}\cdot0{,}9\approx0{,}577\ \text{м}.$$
Сдвиг поршня:
$$\Delta x=x_2-x_1\approx0{,}577-0{,}600=-0{,}023\ \text{м},\qquad|\Delta x|\approx2{,}3\ \text{см}.$$
Справа молекул прибавилось (было $1{,}25$ моль, стало $1{,}4$), правая команда «поднажала» — поршень сместился влево примерно на $2{,}3$ см.
Ответ
Поршень сдвинулся примерно на $2{,}3$ см в сторону левой (бо́льшей) части — влево.
Другие задания по теме «МКТ» (8)
- Задание 24 №00043180 — Сосуд объёмом 8 л содержит смесь водорода и гелия общей массой 2 г при давлении…
- Задание 24 №00043179 — Сосуд объёмом 12 л содержит смесь водорода и гелия общей массой 2 г при…
- Задание 24 №00026545 — В вольфрамовом цилиндре под поршнем водород при атмосферном давлении и…
- Задание 24 №00026542 — Сосуд с воздухом, отделённым от атмосферы поршнем, поместили в кастрюлю с водой…
- Задание 24 №00026540 — Закрытый вертикальный цилиндрический сосуд, заполненный идеальным газом,…
- Задание 24 №00026534 — В открытой пробирке, вращающейся в горизонтальной плоскости с угловой скоростью…
- Задание 24 №00026529 — В цилиндр объёмом 0,5 м³ закачивается воздух со скоростью 0,002 кг/с. В верхнем…
- Задание 24 №00022539 — В горизонтальной трубке, запаянной с одного конца, помещена ртуть. Столбик…