МКТ — Задание 24 ЕГЭ по физике №00016941
МКТ
№2. Задание 24
ID: 00016941
Идеальный одноатомный газ в количестве $\nu=5$ моль сначала охладили, уменьшив его температуру от $T_1=400$ К до $T_2=\dfrac{T_1}{n}$, где $n=4$, а затем нагрели до начальной температуры. При этом давление $p$ газа изменялось так, как показано на $(p,V)$-графике: участок 1–2 — при постоянном объёме (давление падает), участок 2–3 — при постоянном давлении (объём растёт), причём точка 3 лежит на изотерме $T_1$. Какое суммарное количество теплоты газ отдал и получил в процессе 1–2–3?

Источник: ФИПИ
Решение
Дано:
$\nu=5$ моль; $\;T_1=400$ К; $\;n=4$, поэтому $T_2=\dfrac{T_1}{n}=100$ К; газ одноатомный; точка 3 лежит на изотерме $T_1$, значит $T_3=T_1=400$ К. Участок 1–2 — изохора ($V=\text{const}$), участок 2–3 — изобара ($p=\text{const}$).
Найти:
$Q$ — суммарное количество теплоты в процессе 1–2–3.
Решение:
Тепло для газа — как деньги для человека: что-то «приходит» (газ получает тепло), что-то «уходит» (газ отдаёт). «Суммарно» — это итог по кассе, то есть алгебраическая сумма прихода и расхода. Посчитаем оба участка по очереди и сложим со знаками.
Участок 1→2 (изохора, объём постоянен). При $V=\text{const}$ газ работы не совершает, всё тепло идёт только на изменение внутренней энергии. Газ остывает ($T$ падает с $400$ до $100$ К), значит тепло он отдаёт. Для одноатомного газа:
$$Q_{12}=\Delta U_{12}=\frac{3}{2}\,\nu R\,(T_2-T_1)=\frac{3}{2}\cdot 5\cdot 8{,}31\cdot(100-400)=-18697{,}5\ \text{Дж}.$$
Минус значит: газ отдал примерно $18{,}7$ кДж.
Участок 2→3 (изобара, давление постоянно). Газ нагревают обратно от $100$ до $400$ К, поэтому тепло он получает. По первому закону термодинамики $Q=\Delta U+A$, а при постоянном давлении это даёт известную формулу для одноатомного газа:
$$Q_{23}=\frac{5}{2}\,\nu R\,(T_3-T_2)=\frac{5}{2}\cdot 5\cdot 8{,}31\cdot(400-100)=+31162{,}5\ \text{Дж}.$$
Плюс значит: газ получил примерно $31{,}2$ кДж.
Суммарно. Складываем приход и расход (алгебраически):
$$Q=Q_{12}+Q_{23}=-18697{,}5+31162{,}5=12465\ \text{Дж}.$$
Получилось $+12465$ Дж. Проверка «на пальцах»: за весь путь температура вернулась к началу ($T_3=T_1$), значит внутренняя энергия в итоге не изменилась, и всё суммарное тепло ушло только на работу газа на изобаре — а она как раз и равна $\nu R(T_3-T_2)=5\cdot 8{,}31\cdot 300=12465$ Дж. Сходится.
Ответ
$Q\approx 12465$ Дж
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…