Расчётная задача высокого уровня по молекулярной физике · 41 задание
- Задание №24№24
Закрытый вертикальный цилиндрический сосуд, заполненный идеальным газом, разделён на две части тяжёлым поршнем, способным скользить без трения. В нача…
Модель идеального газа в термодинамике
- Задание №24№24
В цикле, показанном на pV-диаграмме, ν = 4 моль разреженного гелия получает от нагревателя количество теплоты Q_нагр = 120 кДж. Найдите температуру T…
Модель идеального газа в термодинамике
- Задание №24№24
В вертикальном цилиндрическом сосуде с стенками под подвижным поршнем массой 10 кг и площадью поперечного сечения 50 см² находится разреженный газ (см…
Изопроцессы в разреженном газе с постоянным числом м…
- Задание №24№24
Для того чтобы совершить воздушный полёт, бесстрашный изобретатель, масса которого 60 кг, решил использовать воздушные шары, наполненные гелием. Какое…
Модель идеального газа в термодинамике
- Задание №24№24
В закрытом сосуде объемом V = 10 л находится влажный воздух массой m = 18 г при температуре t = 80° C. Определите давление влажного воздуха, если масс…
Модель идеального газа в термодинамике
- Задание №24№24
В закрытом сосуде объемом V = 10 л находится влажный воздух массой m = 18 г при температуре t = 80° C и давлении p = 2 · 10⁵ Па. Определите массу паро…
Модель идеального газа в термодинамике
- Задание №24№24
Закрытый сверху вертикальный цилиндрический сосуд, заполненный воздухом, разделён тяжёлым поршнем, способным скользить без трения, на две части. В нач…
Модель идеального газа в термодинамике
- Задание №24№24
В закрытом сосуде при температуре 100°С находится влажный воздух с относительной влажностью 60% под давлением 100 кПа. Объём сосуда изотермически умен…
Закон Дальтона для давления смеси разреженных газов
- Задание №24№24
В горизонтальном цилиндре с гладкими стенками под массивным поршнем находится одноатомный идеальный газ. Поршень соединён с основанием цилиндра пружин…
Модель идеального газа в термодинамике
- Задание №24№24
В горизонтальном цилиндре с гладкими стенками под массивным поршнем площадью S находится одноатомный идеальный газ. Поршень соединён с основанием цили…
Модель идеального газа в термодинамике
- Задание №24№24
В вертикальном цилиндрическом сосуде с гладкими стенками под подвижным поршнем площадью поперечного сечения 50 см² находится разреженный газ (см. рис.…
Изопроцессы в разреженном газе с постоянным числом м…
- Задание №24№24
В закрытом сосуде при температуре 100°С находится влажный воздух с относительной влажностью 70% под давлением 100 кПа. Объём сосуда изотермически умен…
Закон Дальтона для давления смеси разреженных газов
В цикле, показанном на рV-диаграмме, v = 4 моль разреженного гелия получает от нагревателя количество теплоты Qнагр = 120 кДж. Найдите температуру T2 гелия в состоянии 2.

Решение
Решение:
Обозначения. ν=4 моль — количество вещества гелия; Qнагр=120 кДж=1,2⋅105 Дж — теплота, полученная от нагревателя за цикл; p0, V0 — масштабные значения давления и объёма на диаграмме; T1, T2, T3 — температуры газа в состояниях 1, 2, 3; Q12, Q23, Q31 — количества теплоты, полученные газом на участках цикла; ΔU — изменение внутренней энергии, A — работа газа; R=8,31 моль⋅КДж.
1. Считываем диаграмму. Вершины цикла: 1(V0, p0), 2(V0, 2p0), 3(4V0, 3p0); обход 1→2→3→1. Участок 1 → 2 — изохора V=V0, участки 2 → 3 и 3 → 1 — отрезки прямых.
2. Температуры в вершинах. Гелий разрежен, поэтому это идеальный одноатомный газ; по уравнению Менделеева — Клапейрона pV=νRT, то есть T=νRpV:
T1=νRp0V0,T2=νR2p0V0,T3=νR3p0⋅4V0=νR12p0V0.
3. Теплота на каждом участке (первый закон термодинамики Q=ΔU+A; для одноатомного газа ΔU=23νRΔT=23Δ(pV), а работа численно равна площади под графиком в осях p–V).
Участок 1 → 2 (изохора, A12=0):
Q12=ΔU12=23(2p0V0−p0V0)=1,5p0V0>0.
Участок 2 → 3: работа — площадь трапеции под отрезком,
A23=22p0+3p0(4V0−V0)=7,5p0V0,ΔU23=23(12p0V0−2p0V0)=15p0V0,
Q23=ΔU23+A23=22,5p0V0>0.
На этом участке одновременно растут и объём, и давление, значит растёт и температура T=νRpV, и работа положительна на каждом малом шаге. Поэтому газ здесь только получает теплоту.
Участок 3 → 1:
A31=−23p0+p0(4V0−V0)=−6p0V0,ΔU31=23(p0V0−12p0V0)=−16,5p0V0,
Q31=−22,5p0V0<0.
Здесь и объём, и давление убывают, поэтому убывает и температура, а работа газа отрицательна: газ на всём участке только отдаёт теплоту холодильнику.
4. Связь с Qнагр. От нагревателя газ получает теплоту на участках 1 → 2 и 2 → 3:
Qнагр=Q12+Q23=1,5p0V0+22,5p0V0=24p0V0,
p0V0=24Qнагр=241,2⋅105 Дж=5⋅103 Дж.
5. Искомая температура.
T2=νR2p0V0=4⋅8,312⋅5⋅103 К≈301 К.
Проверка правдоподобия. Работа за цикл A=A23+A31=1,5p0V0=7,5 кДж — это площадь треугольника 1‑2‑3 на диаграмме, что совпадает с прямым подсчётом; КПД цикла η=1207,5≈6,3% — разумная величина. Температура T2≈301 К≈28 ∘C вполне правдоподобна.
Ответ: T2=12νRQнагр≈3,0⋅102 К (≈301 К).