Фазовые Переходы — Задание 9 ЕГЭ по физике №00025717

В сосуде под поршнем при комнатной температуре долго стоят рядом вода и водяной пар, причём масса воды равна массе пара — значит, изначально в сосуде масса пара $m_п=\rho_{нас}V_0$ и точно такая же масса жидкой воды: $m_в=\rho_{нас}V_0$, то есть всего воды (в обеих формах) — $2\rho_{нас}V_0$.

Объём медленно и изотермически увеличивают в 3 раза. Пока в сосуде остаётся хоть капля жидкости, пар остаётся насыщенным — новая вода испаряется, чтобы заполнить растущий объём при той же плотности $\rho_{нас}$ (температура не меняется, значит, не меняется и плотность насыщенного пара). Масса пара, необходимая для насыщения объёма $V$, растёт как $\rho_{нас}V$ — вода будет испаряться до тех пор, пока не закончится совсем.

Вода закончится, когда масса пара сравняется со всей имеющейся водой: $\rho_{нас}V_{max}=2\rho_{нас}V_0$, то есть при $V_{max}=2V_0$. Раз конечный объём — целых $3V_0$, что больше $2V_0$, вода закончится ещё до конца опыта, и дальше (от $2V_0$ до $3V_0$) пар уже ненасыщенный, расширяется как обычный идеальный газ при постоянной температуре.

Утверждение 3 говорит: «давление пара сначала было постоянным, а затем стало уменьшаться». Именно так и есть: пока пар насыщен (от $V_0$ до $2V_0$), давление держится на уровне $p_{нас}$, а после — при изотермическом расширении обычного газа — падает по закону Бойля–Мариотта. Верно.

Утверждение 1 («масса пара не изменяется») неверно: пока пар насыщен, его масса растёт (испаряется вода), и лишь после $2V_0$ перестаёт расти.

Утверждение 2: «в конечном состоянии давление в 3 раза меньше первоначального». На отрезке от $2V_0$ до $3V_0$ (уже ненасыщенный пар) действует закон Бойля–Мариотта: $p_{кон}=p_{нас}\cdot\dfrac{2V_0}{3V_0}=\dfrac{2}{3}p_{нас}$ — давление уменьшилось не в 3, а в $1{,}5$ раза. Неверно.

Утверждение 4 («плотность пара в начале и конце одинакова»): в начале $\rho=\rho_{нас}$, а в конце $\rho_{кон}=\dfrac{m_{пара,кон}}{3V_0}=\dfrac{2\rho_{нас}V_0}{3V_0}=\dfrac{2}{3}\rho_{нас}$ — плотности не совпадают. Неверно.

Утверждение 5: концентрация пара в начале опыта $n_0\propto\rho_{нас}$, а в конце $n_{кон}\propto\dfrac{2}{3}\rho_{нас}$ — раз $\dfrac{2}{3}\lt 1$, концентрация в начале действительно больше, чем в конце. Верно.