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).