МКТ — Задание 24 ЕГЭ по физике №00016918
МКТ
№2. Задание 24
ID: 00016918
Процесс 1–2 с идеальным газом, изображённый на $p\text{–}V$-диаграмме, имеет вид прямой линии $p(V)$, соединяющей две точки 1 и 2, лежащие на одной изотерме. Точка 1 имеет координаты $(V_0;\ np_0)$, точка 2 — координаты $(nV_0;\ p_0)$, где $n=5$. Во сколько раз максимальная температура $T_\text{м}$ в этом процессе превышает температуру $T_0$ на изотерме?

Источник: ФИПИ
Решение
Дано:
Точка 1: $(V_0;\ np_0)$; точка 2: $(nV_0;\ p_0)$; $\;n=5$; обе точки на одной изотерме $T_0$.
Найти:
$\dfrac{T_\text{м}}{T_0}$ — во сколько раз максимальная температура в процессе больше температуры на изотерме.
Решение:
Представим температуру газа как «градусник», который у идеального газа показывает произведение $pV$: чем больше $pV$, тем горячее ($T\propto pV$, ведь по Менделееву — Клапейрону $pV=\nu R T$). На $p\text{–}V$-диаграмме изотерма — это «линия одинаковой жары», гипербола $pV=\text{const}$. Проверим, что точки 1 и 2 и впрямь на одной изотерме: в точке 1 произведение $np_0\cdot V_0=np_0V_0$, в точке 2 — $p_0\cdot nV_0=np_0V_0$. Одинаково, значит $T_0\propto np_0V_0$.
Процесс 1–2 — прямая. Запишем её уравнение. Наклон: при росте объёма от $V_0$ до $nV_0$ давление падает с $np_0$ до $p_0$, то есть $k=\dfrac{p_0-np_0}{nV_0-V_0}=\dfrac{-p_0(n-1)}{V_0(n-1)}=-\dfrac{p_0}{V_0}$. Тогда
$p=np_0-\dfrac{p_0}{V_0}\,(V-V_0)=p_0(n+1)-\dfrac{p_0}{V_0}\,V.$
Температура (с точностью до множителя) равна $pV$:
$T\propto pV=\left[p_0(n+1)-\dfrac{p_0}{V_0}V\right]V=p_0(n+1)V-\dfrac{p_0}{V_0}V^2.$
Это парабола «горбом вверх»: где-то посередине отрезка газ горячее, чем на концах. Найдём вершину — там, где производная по $V$ равна нулю:
$p_0(n+1)-\dfrac{2p_0}{V_0}V=0\;\Rightarrow\;V_\text{м}=\dfrac{(n+1)V_0}{2}.$
Подставим этот объём и получим максимум произведения $pV$:
$(pV)_\text{м}=p_0(n+1)\cdot\dfrac{(n+1)V_0}{2}-\dfrac{p_0}{V_0}\cdot\dfrac{(n+1)^2V_0^2}{4}=\dfrac{p_0V_0(n+1)^2}{4}.$
Делим максимум на «изотермное» значение $np_0V_0$ — множители $\propto$ и сам $p_0V_0$ сокращаются:
$\dfrac{T_\text{м}}{T_0}=\dfrac{(pV)_\text{м}}{np_0V_0}=\dfrac{(n+1)^2}{4n}=\dfrac{6^2}{4\cdot5}=\dfrac{36}{20}=1{,}8.$
Итог: в середине процесса газ нагрет в $1{,}8$ раза сильнее, чем на изотерме, проходящей через концы — потому что прямая на $p\text{–}V$ выгибается выше гиперболы.
Ответ
$\dfrac{T_\text{м}}{T_0}=\dfrac{(n+1)^2}{4n}=1{,}8$
Видеоразбор
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…