МКТ — Задание 9 ЕГЭ по физике №00043002

Что на рисунке. Один моль аргона проходит процесс 1–2–3, но график нарисован в необычных осях: по вертикали давление $p$, по горизонтали — средняя кинетическая энергия $\overline{E}_{\text{к}}$ теплового движения молекул. Первым делом переведём эту ось на понятный язык.

Для идеального газа средняя кинетическая энергия молекулы прямо пропорциональна абсолютной температуре: $\overline{E}_{\text{к}}=\dfrac{3}{2}kT$. Значит, ось абсцисс — это, по сути, ось температуры: правее — горячее.

Участок 1–2. Отрезок вместе с пунктиром проходит через начало координат: давление растёт прямо пропорционально энергии молекул, то есть температуре. Из основного уравнения $p=nkT$ (давление равно концентрации молекул, умноженной на $kT$) следует, что при $p\sim T$ концентрация $n$ остаётся постоянной. Количество газа не меняется, значит, и объём постоянный — это изохорный нагрев. Утверждение 3 («концентрация уменьшается») неверное. Энергия молекул вдоль стрелки растёт, а внутренняя энергия аргона — это сумма энергий всех его атомов, она тоже растёт. Утверждение 1 неверное.

Участок 2–3. Отрезок вертикальный: абсцисса, а значит и температура, не меняется. Это изотермический процесс, температура не растёт — утверждение 4 неверное. Давление при этом увеличивается; при постоянной температуре по закону Бойля–Мариотта ($pV=\text{const}$) рост давления означает уменьшение объёма. Аргон изотермически сжимают — утверждение 2 верное.

Теплота на 2–3. Первый закон термодинамики: $Q=\Delta U+A_{\text{газа}}$. Температура постоянна, поэтому $\Delta U=0$. Газ сжимают, его собственная работа отрицательна, значит, и $Q\lt0$ — аргон отдаёт тепло окружающей среде. Утверждение 5 верное.

Проверим себя: при сжатии газ нагрелся бы, но температура держится постоянной — значит, лишнюю энергию он обязан отдавать наружу. Всё сходится. Верны утверждения 2 и 5.