ID: 00017036
В цилиндре, закрытом подвижным поршнем, находится идеальный газ. На рисунке показана диаграмма, иллюстрирующая изменение внутренней энергии $U$ газа и передаваемое ему количество теплоты $Q$ (см. рисунок). Опишите изменение объёма газа при его переходе из состояния 1 в состояние 2, а затем в состояние 3. Свой ответ обоснуйте, указав, какие физические закономерности вы использовали для объяснения.
Источник: Сборник Гиголо
Объём газа меняется только тогда, когда газ совершает работу: если поршень выходит наружу — газ расширяется и $A\gt 0$, если поршень вдавливается — газ сжимается и $A\lt 0$. А чему равна работа газа, нам подскажет первое начало термодинамики. Запишем его так, чтобы выразить именно работу:
$$Q = \Delta U + A \;\Rightarrow\; A = Q - \Delta U.$$
То есть работа газа на участке — это разность между подведённым теплом $Q$ и приростом внутренней энергии $\Delta U$. Удобство диаграммы в том, что на ней по осям отложены как раз эти две величины.
На участке от состояния 1 к состоянию 2, а затем от 2 к 3 подводимое тепло $Q$ растёт быстрее, чем внутренняя энергия $U$ (точки лежат так, что приращение $\Delta Q$ на каждом шаге больше приращения $\Delta U$). Значит, на каждом участке $A = Q - \Delta U \gt 0$.
Положительная работа газа ($A\gt 0$) означает, что газ толкает поршень наружу, то есть его объём увеличивается. Так как условие $A\gt 0$ выполняется и на участке 1→2, и на участке 2→3, объём растёт на всём пути.
Ответ: при переходе из состояния 1 в 2 и далее в 3 объём газа всё время увеличивается (газ расширяется на каждом участке), потому что работа газа $A = Q - \Delta U \gt 0$.
При переходе из состояния 1 в состояние 3 (через 2) объём газа всё время увеличивается — газ расширяется на всех участках.