МКТ — Задание 24 ЕГЭ по физике №00016832
МКТ
№2. Задание 24
ID: 00016832
Теплоизолированный цилиндр разделён подвижным теплопроводным поршнем на две части. В одной части цилиндра находится гелий, а в другой – аргон. В начальный момент температура гелия равна 300 К, а аргона – 900 К; объёмы, занимаемые газами, одинаковы, а поршень находится в равновесии. Поршень медленно перемещается без трения. Теплоёмкость поршня и цилиндра пренебрежимо мала. Чему равно отношение внутренней энергии гелия после установления теплового равновесия к его энергии в начальный момент?
Источник: ФИПИ
Решение
Дано:
$T_{1}=300$ К — гелий; $T_{2}=900$ К — аргон; объёмы равны ($V_{1}=V_{2}$); поршень в равновесии и теплопроводен; газы одноатомные; цилиндр теплоизолирован.
Найти:
$\dfrac{U_\text{He}'}{U_\text{He}}$ — отношение энергии гелия после и до.
Решение:
Представь две комнаты, разделённые тонкой металлической ширмой, которая может ездить. Металл пропускает тепло — значит температуры в комнатах сравняются, как два чая через общую стенку остывают к одному значению. А раз ширма свободно ездит и стоит на месте, давления по обе стороны равны.
Сначала найдём, сколько вещества в каждой части. Поршень в равновесии $\Rightarrow p$ слева и справа равны, объёмы равны. По уравнению состояния $pV=\nu RT$ при одинаковых $p$ и $V$:
$\nu_\text{He}T_{1}=\nu_\text{Ar}T_{2}\;\Rightarrow\;\nu_\text{He}\cdot300=\nu_\text{Ar}\cdot900\;\Rightarrow\;\nu_\text{He}=3\,\nu_\text{Ar}.$
Цилиндр теплоизолирован и жёсткий: наружу тепло не уходит, общий объём постоянен. Поршень толкает один газ за счёт другого — это внутренний обмен, суммарная внутренняя энергия системы сохраняется:
$\tfrac{3}{2}R(\nu_\text{He}T_{1}+\nu_\text{Ar}T_{2})=\tfrac{3}{2}R(\nu_\text{He}+\nu_\text{Ar})T_\text{рав}.$
Пусть $\nu_\text{Ar}=1$, тогда $\nu_\text{He}=3$:
$3\cdot300+1\cdot900=(3+1)\,T_\text{рав}\;\Rightarrow\;1800=4\,T_\text{рав}\;\Rightarrow\;T_\text{рав}=450\ \text{К}.$
Внутренняя энергия одноатомного газа $U=\tfrac{3}{2}\nu RT$, а число молей гелия не меняется. Значит отношение энергий — это просто отношение температур гелия:
$\dfrac{U_\text{He}'}{U_\text{He}}=\dfrac{T_\text{рав}}{T_{1}}=\dfrac{450}{300}=1{,}5.$
Гелий нагрелся с $300$ до $450$ К, поэтому его внутренняя энергия выросла в $1{,}5$ раза.
Ответ
$\dfrac{U_\text{He}'}{U_\text{He}}=1{,}5$
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…