Данная масса газа находится в цилиндрическом сосуде под поршнем
Задача C16. В цилиндрическом сосуде под поршнем находится 2 л водяного пара при 100 °C и давлении Па. Поршень опускают, и объем пара изобарно уменьшается вдвое. Какое количество теплоты отдает этот пар, если при этом его температура не изменяется? Удельная теплота парообразования Дж/ кг, молярная масса водяного пара 0,018 кг/моль.
Обозначим
первоначальный объем пара, t — его первоначальную температуру по шкале Цельсия, Т — его первоначальную температуру по шкале Кельвина, р — давление пара, конечный объем пара, r — удельную теплоту парообразования, М — молярную массу пара, — уменьшение внутренней энергии, m — массу сконденсировавшегося пара, А — работу, которую совершают над паром, — изменение объема пара, R — молярную газовую постоянную.
Решение:
Вспомним теорию. Водяной пар при 100 °C, да еще и в закрытом поршнем сосуде, является насыщенным. А его сжимают. Если бы он был ненасыщенным, то его давление при неизменной температуре непременно увеличилось бы. Но давление насыщенного пара при данной температуре максимально, его нельзя увеличить никаким сжатием.
Куда же девается «лишний» пар при сжатии? Он конденсируется, превращается в воду. А давление оставшегося над ней пара остается прежним. Поскольку объем пара уменьшился в два раза, значит, половина бывшего пара сконденсировалась.
Теперь подумаем, в какие формулы входит количество теплоты, и какую из них лучше всего применить в данном случае.
Ближе всего к этому случаю первый закон термодинамики и формула количества теплоты, выделяющейся при конденсации пара.
Но эта формула позволяет определить количество теплоты, которое выделит пар только при конденсации. Именно настолько уменьшится его внутренняя энергия
. Следовательно,
где масса сконденсировавшегося пара равна массе оставшегося, ведь объем пара уменьшился наполовину.
Но у нас пар еще и сжимают, значит, совершают над ним отрицательную работу А. Тогда количество теплоты, которое выделит пар вследствие конденсации и сжатия, с учетом знаков по первому закону термодинамики равно:
Работа изобарного сжатия равна произведению давления пара и изменения его объема
:
Подставим правые части формул (1) и (3) в равенство (2) и посмотрим, что получится:
Но масса пара, оставшегося в сосуде, нам не дана. Правда, она входит в уравнение Менделеева — Клапейрона, где молярная масса водяного пара М = 0,018 кг/моль нам известна. Запишем это уравнение и найдем из него недостающую массу:
Нам осталось подставить правую часть этого равенства в формулу (4), и задача в общем виде будет решена. Подставляем:
Задача в общем виде решена.
Теперь выразим все величины в единицах СИ и вычислим:
Ответ: Q = 1,4 кДж.
Эта задача взята со страницы подробного решения задач по физике, там расположена теория и подробное решения задач по всем темам физики:
Задачи по физике с решением
Возможно вам будут полезны эти задачи:
| Задача С14. Два теплоизолированных сосуда соединены узкой трубкой с закрытым краном, объемом которой можно пренебречь. В первом сосуде содержится молей идеального газа со средней квадратичной скоростью молекул , а во втором содержится молекул этого газа со средней квадратичной скоростью молекул . Все молекулы одинаковы. Какова будет их средняя квадратичная скорость молекул и, если кран открыть? |
| Задача C15. В горизонтально расположенном цилиндрическом сосуде находится идеальный газ массой , закрытый поршнем массой . Вследствие изобарного расширения газа при его нагревании поршень приобретает скорость V, двигаясь из состояния покоя. Внутренняя энергия газа U прямо пропорциональна его абсолютной температуре, где k — коэффициент пропорциональности. Молярная масса газа М. Какое количество теплоты Q передано газу при этом? Теплоемкостями сосуда и поршня пренебречь. |
| Задача С17. Посередине теплоизолированного и закрытого цилиндрического сосуда длиной l с площадью основания S располагается поршень, толщиной которого можно пренебречь. Справа от поршня в сосуде находится газ под давлением и при температуре , а слева вакуум. Поршень соединен с левым основанием цилиндра сжатой упругой пружиной жесткостью k. Длина пружины в недеформированном состоянии равна длине цилиндра. Поршень удерживается в неподвижном состоянии внешним воздействием. Какая установится температура газа , если поршень отпустить? Известно, что внутренняя энергия этого газа пропорциональна его температуре: U = СТ, где С — известный коэффициент пропорциональности. Трением и теплоемкостями цилиндра с поршнем можно пренебречь. |
| Задача С18. Тонкостенный резиновый шар массой 40 г наполнен кислородом и погружен на глубину 20 м. Найти массу кислорода в шаре, если он находится в равновесии. Давление атмосферы Па, температура на глубине 3 °C. Растяжением и объемом оболочки шара пренебречь. Молярная масса кислорода 0,032 кг/моль, плотность воды 1000 . |
Источник
12. МКТ и Термодинамика (изменение физических величин в процессах, установление соответствия)
1. Вспоминай формулы по каждой теме
2. Решай новые задачи каждый день
3. Вдумчиво разбирай решения
В герметичном цилиндрическом сосуде под невесомым и свободно перемещающимся поршнем находится газ. Как изменится его объем (V) и количество вещества (nu), если внутри сосуда начать понижать температуру? Конденсацией пренебречь.
Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:
1) увеличилась;
2) уменьшилась;
3) не изменилась.
Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.
[begin{array}{|c|c|}
hline
text{Объем газа}&text{Количество вещества}\
hline
& \
hline
end{array}]
Количество вещества можно найти по формуле: [nu=dfrac{m}{M}] Т.к. по условию сосуд герметичный, а конденсацией можно пренебречь, масса газа (m) постоянна. Значит, количество вещества также постоянно.
Значит, исследуемый процесс — изобарный.
По закону Гей-Люссака: [dfrac{V}{T}=const~~~Rightarrow~~~Vsim T] Значит, при понижении температуры объем газа также будет уменьшаться.
Ответ: 23
В герметичном цилиндрическом сосуде при постоянной температуре находится газ. Как изменятся количество вещества (nu) и давление газа (p), если объем сосуда (V) начать уменьшать? Конденсацией пренебречь.
Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:
1) увеличилась;
2) уменьшилась;
3) не изменилась.
Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.
[begin{array}{|c|c|}
hline
text{Количество вещества}&text{Давление газа}\
hline
& \
hline
end{array}]
Количество вещества можно найти по формуле: [nu=dfrac{m}{M}] Т.к. по условию сосуд герметичный, а конденсацией можно пренебречь, масса газа (m) постоянна. Значит, количество вещества также постоянно.
Значит, исследуемый процесс — изотермический.
По закону Бойля-Мариотта: [pV=cosnt ~~~Rightarrow~~~ psim dfrac{1}{V}] Значит, если объем (V) уменьшается, то давление (p) будет увеличиваться.
Ответ: 31
В цилиндрическом сосуде под поршнем находится газ. Поршень может перемещаться в сосуде без трения. Газ охлаждают. Как изменится в результате этого давление газа и его объем?
Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:
1) увеличилась;
2) уменьшилась;
3) не изменилась.
Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.
[begin{array}{|c|c|}
hline
text{Давление газа}&text{Объем газа}\
hline
& \
hline
end{array}]
В процессе охлаждения поршень будет перемещаться, но в начальном и конечном состояниях (до и после нагревания) поршень покоится, а значит равнодействующая всех сил, действующих на него, равна 0. Отсюда делаем вывод, что давление до и после нагревания одинаково.
Значит, мы рассматриваем изобарный процесс.
По закону Гей-Люссака: [dfrac{V}{T}=const~~Rightarrow~~Vsim T] Значит, при понижении температуры понижается и объём.
Ответ: 32
Идеальный одноатомный газ постоянной массы переходит из состояния 1 в состояние 2 (см. pT-диаграмму). Как в ходе этого процесса изменятся объём газа и его внутренняя энергия? 
Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:
1) увеличилась;
2) уменьшилась;
3) не изменилась.
Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.
[begin{array}{|c|c|}
hline
text{Объем}&text{Внутренняя энергия}\
text{газа}&text{газа}\
hline
& \
hline
end{array}]
По диаграмме можно определить, что рассматриваемый процесс — изохорный. Значит, объём газа в ходе процесса не изменяется.
Внутреннюю энергию газа можно найти по формуле: [U=dfrac{3}{2}nu RT,] где (nu=const), т.к. масса газа постоянна по условию.
Отсюда (U sim T). По диаграмме находим, что (T) в данном процессе уменьшается, значит и внутренняя энергия газа также уменьшается.
Ответ: 32
На рисунке показан процесс изменения состояния 1 моля одноатомного идеального газа ((U) — внутренняя энергия газа; (V) — занимаемый им объем). Как изменятся в ходе этого процесса давление и абсолютная температура газа? 
Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:
1) увеличилась;
2) уменьшилась;
3) не изменилась.
Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.
[begin{array}{|c|c|}
hline
text{Давление газа}&text{Температура газа}\
hline
& \
hline
end{array}]
Внутреннюю энергию газа можно найти по формуле: [U=dfrac{3}{2}nu RT,] Отсюда (U sim T). По диаграмме находим, что (U) в данном процессе увеличивается, значит и абсолютная температура газа также увеличивается.
Т.к. (U) связано с температурой линейно, то по диаграмме определяем: [dfrac{U}{V}=const~Rightarrow~dfrac{T}{V}=const] Значит рассматриваемый процесс — изобарный. А в изобарном процессе (p=const). Давление в ходе процесса не изменяется.
Ответ: 31
Идеальный одноатомный газ переходит из состояния 1 в состояние 2 (см. диаграмму). Масса газа не изменяется. Как изменяются при этом объём газа и его внутренняя энергия? 
Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:
1) увеличилась;
2) уменьшилась;
3) не изменилась.
Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.
[begin{array}{|c|c|}
hline
text{Объем газа}&text{Внутренняя энергия газа}\
hline
& \
hline
end{array}]
Изменение внутренней энергии газа можно найти по формуле: [Delta U=dfrac{3}{2}nu Delta T,] где (nu=const), т.к. масса газа постоянна по условию.
По диаграмме видно, что температура газа постоянна, т.е. (Delta T=0). Значит внутренняя энергия газа не изменяется.
Т.к. по условию температура и масса газа не изменяются, рассматриваемый процесс является изотермическим.
По закону Бойля-Мариотта: [pV=const~Rightarrow~psimdfrac{1}{V}] По диаграмме определяем, что давление газа увеличивается. Значит, объем газа уменьшается.
Ответ: 23
В цилиндрическом сосуде под массивным поршнем находится газ. Поршень не закреплён и может перемещаться в сосуде без трения (см. рисунок). В сосуд закачивается ещё такое же количество газа при неизменной температуре. Как изменятся в результате этого давление газа и концентрация его молекул? Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:
1) увеличится
2) уменьшится
3) не изменится
Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.
[begin{array}{|c|c|}
hline
text{Давление газа}&text{Концентрация молекул газа}\
hline
&\
hline
end{array}]
“Демоверсия 2017”
А) Поскольку поршень не закреплён, то давление газа равно сумме атмосферного давления и давления поршня, а значит, оно не зависит от количества вещества газа. Давление газа не изменится.
Б) По условию температура неизменна, значит, из уравнения состояния идеального газа: [p=nkT] концентрация молекул газа тоже не изменится.
Ответ: 33
Источник