ID: 00016965
На $pV$-диаграмме представлены изменения давления и объёма идеального одноатомного газа. По вертикальной оси отложено давление $p$ в килопаскалях (кПа), по горизонтальной — объём $V$ в м3.
Газ переходит из состояния 1 в состояние 3 по двум участкам:
Какое количество теплоты было получено или отдано газом при переходе из состояния 1 в состояние 3?

Источник: ФИПИ
Идеальный одноатомный газ. Состояние 1: $V_1=1\ \text{м}^3$, $p_1=10\ \text{кПа}=10^4\ \text{Па}$. Состояние 2: $V_2=3\ \text{м}^3$, $p_2=10\ \text{кПа}=10^4\ \text{Па}$. Состояние 3: $V_3=3\ \text{м}^3$, $p_3=30\ \text{кПа}=3\cdot10^4\ \text{Па}$. Путь $1\to2$ — изобара (давление постоянно), путь $2\to3$ — изохора (объём постоянен).
$Q$ — количество теплоты на переходе $1\to3$ (получил газ тепло или отдал).
Представь тепло как зарплату газа: часть он откладывает «в копилку» — на внутреннюю энергию (нагрев), а часть «тратит» — на работу, толкая поршень при расширении. Вся пришедшая зарплата $Q$ равна сумме отложенного $\Delta U$ и потраченного $A$. Это и есть первый закон термодинамики:
$$Q=\Delta U + A.$$
1) Внутренняя энергия ($\Delta U$). У одноатомного газа $U=\dfrac{3}{2}pV$. По крайним состояниям 1 и 3:
$$\Delta U=\frac{3}{2}(p_3V_3-p_1V_1)=\frac{3}{2}\,(3\cdot10^4\cdot3-10^4\cdot1)=\frac{3}{2}\,(9\cdot10^4-10^4)=\frac{3}{2}\cdot8\cdot10^4=12\cdot10^4\ \text{Дж}.$$
Произведение $pV$ сильно выросло — значит газ заметно нагрелся, копилка внутренней энергии пополнилась на $120$ кДж.
2) Работа газа ($A$). Это площадь под графиком. На изохоре $2\to3$ объём не меняется (вертикаль) — работа нулевая. На изобаре $1\to2$ давление постоянно, поэтому $A=p\,\Delta V=p\,(V_2-V_1)$:
$$A=10^4\cdot(3-1)=10^4\cdot2=2\cdot10^4\ \text{Дж}.$$
Объём вырос — газ расширяется и толкает поршень, работа газа положительная.
3) Складываем.
$$Q=\Delta U+A=12\cdot10^4+2\cdot10^4=14\cdot10^4\ \text{Дж}=140\ \text{кДж}.$$
Число положительное — газ получил $14\cdot10^4$ Дж теплоты: $120$ кДж ушло в копилку внутренней энергии (нагрев), $20$ кДж — на работу расширения.
$Q=140$ кДж $=14\cdot10^{4}$ Дж — газ получил теплоту.