Global EE

МКТ — Задание 24 ЕГЭ по физике №00016967

Задание №24. МКТ и Термодинамика. Высокий Уровень Сложности

МКТ

№2. Задание 24

ID: 00016967

$1$ моль одноатомного идеального газа совершает цикл $1\!-\!2\!-\!3\!-\!1$, состоящий из изохоры ($1\!-\!2$), адиабаты ($2\!-\!3$) и изобары ($3\!-\!1$). На диаграмме $p$–$V$ участок $1\!-\!2$ — вертикальный отрезок вверх (объём постоянен), участок $2\!-\!3$ — кривая расширения без теплообмена, участок $3\!-\!1$ — горизонтальный отрезок (давление постоянно). Абсолютные температуры газа $T_1 = 400$ К, $T_2 = 600$ К, $T_3 = 510$ К. Определите КПД цикла. Ответ дайте в процентах, округлив до целых.

Рисунок к заданию 24 ЕГЭ по физике — МКТ

Источник: ФИПИ

Решение

Дано:

$\nu=1$ моль; газ одноатомный; цикл $1\!-\!2\!-\!3\!-\!1$: изохора $1\!-\!2$, адиабата $2\!-\!3$, изобара $3\!-\!1$; $\;T_1=400$ К; $\;T_2=600$ К; $\;T_3=510$ К.

Найти:

КПД цикла $\eta$.

Решение:

Тепловая машина — как работник, которому платят зарплату (подвод тепла $Q_{\text{подв}}$), а он часть проедает на жизнь (отвод тепла холодильнику), а что осталось — откладывает в виде полезной работы $A$. КПД — это доля «отложенного»: $\eta=\dfrac{A}{Q_{\text{подв}}}$.

За полный цикл газ возвращается в исходное состояние, значит его внутренняя энергия не изменилась, и по первому началу термодинамики работа за цикл равна алгебраической сумме всех теплот: $A=\sum Q$.

Для одноатомного газа $C_V=\dfrac{3}{2}R$, $C_p=\dfrac{5}{2}R$.

1–2 (изохора, нагрев $400\to600$ К). Объём постоянен, работа нулевая, тепло только подводится:

$$Q_{12}=\nu C_V (T_2-T_1)=1\cdot\frac{3}{2}\cdot 8{,}31\cdot(600-400)\approx +2493\ \text{Дж}.$$

Это тепло подведено ($Q_{12}\gt 0$).

2–3 (адиабата). По определению адиабаты теплообмена нет: $Q_{23}=0$ (газ расширяется за счёт внутренней энергии, температура падает $600\to510$ К).

3–1 (изобара, охлаждение $510\to400$ К). Давление постоянно:

$$Q_{31}=\nu C_p (T_1-T_3)=1\cdot\frac{5}{2}\cdot 8{,}31\cdot(400-510)\approx -2285\ \text{Дж}.$$

Минус — это тепло газ отдал холодильнику.

Подведённое тепло за цикл — только $Q_{\text{подв}}=Q_{12}$ (единственная положительная теплота). Работа за цикл:

$$A=Q_{12}+Q_{23}+Q_{31}=2493+0-2285\approx 208\ \text{Дж}.$$

Тогда

$$\eta=\frac{A}{Q_{12}}=\frac{Q_{12}+Q_{31}}{Q_{12}}=1-\frac{|Q_{31}|}{Q_{12}}=1-\frac{2285}{2493}\approx 0{,}083.$$

В процентах $\eta\approx 8{,}3\,\%\approx 8\,\%$. Машина откладывает лишь около $8$ копеек с каждого подведённого «рубля» тепла — почти всё «проедается» на изобарном охлаждении, типичная картина для простых циклов.

Ответ

$\eta \approx 8\,\%$ (точное значение $\eta \approx 8{,}3\,\%$).