МКТ — Задание 24 ЕГЭ по физике №00016828
МКТ
№2. Задание 24
ID: 00016828
В вертикальном цилиндре, закрытом лёгким поршнем, находится ацетон (C3H6O) при температуре кипения t = 56 °C. При сообщении ацетону количества теплоты Q часть его превращается в пар, который при изобарном расширении совершает механическую работу A. Удельная теплота парообразования ацетона L = 524 · 103 Дж/кг, а его молярная масса M = 58 · 10-3 кг/моль. Какая часть подведённого к ацетону количества теплоты идёт на увеличение внутренней энергии системы? Объёмом жидкого ацетона пренебречь.
Источник: ФИПИ
Решение
Дано:
Ацетон ($\mathrm{C_3H_6O}$) кипит при $t=56\,^\circ\text{C}=329$ К под лёгким поршнем (давление постоянно); $\;$ подвели теплоту $Q$, часть ацетона стала паром, пар изобарно совершил работу $A$; $\;L=524\cdot10^3$ Дж/кг; $\;M=58\cdot10^{-3}$ кг/моль; объёмом жидкости пренебречь; $\;R=8{,}31$ Дж/(моль·К).
Найти:
$\dfrac{\Delta U}{Q}$ — какая часть подведённой теплоты идёт на рост внутренней энергии системы.
Решение:
Подведённое тепло — как зарплата, которую делят на две части: одна оседает «в кармане» системы (прирост внутренней энергии — это в основном энергия разлетевшихся молекул пара), а вторая сразу «тратится» — пар, расширяясь, толкает поршень и совершает работу. Найдём долю первой части.
Пусть испарилась масса $\Delta m$. Всё подведённое тепло идёт на парообразование (температура при кипении не меняется):
$Q=L\,\Delta m.$
Образовавшийся пар занимает объём $V=\dfrac{\Delta m}{M}RT$ (уравнение состояния; объёмом жидкости пренебрегаем, значит $\Delta V\approx V$). Работа пара при постоянном давлении:
$A=p\,\Delta V=\dfrac{\Delta m}{M}\,R T.$
По первому закону термодинамики прирост внутренней энергии системы:
$\Delta U=Q-A.$
Ищем долю $\dfrac{\Delta U}{Q}=1-\dfrac{A}{Q}$. Подставим $A$ и $Q$ (масса $\Delta m$ сокращается):
$\dfrac{A}{Q}=\dfrac{\dfrac{\Delta m}{M}RT}{L\,\Delta m}=\dfrac{RT}{M L}=\dfrac{8{,}31\cdot329}{58\cdot10^{-3}\cdot524\cdot10^{3}}\approx\dfrac{2734}{30392}\approx0{,}090.$
Тогда
$\dfrac{\Delta U}{Q}=1-0{,}090\approx 0{,}91.$
Итак, примерно $91\%$ подведённого тепла «осело» во внутренней энергии системы, и лишь около $9\%$ ушло на работу против поршня. Логично: чтобы оторвать молекулы жидкости друг от друга, энергии нужно много, а на расталкивание поршня — заметно меньше.
Ответ
$\dfrac{\Delta U}{Q}\approx 0{,}91$ (около $91\%$ теплоты идёт на увеличение внутренней энергии системы).
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…