Газ расширяется в теплоизолированном сосуде

Автор статьи – профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: работа в термодинамике, первый закон термодинамики, адиабатный процесс.

Начнём с обсуждения работы газа.

Газ, находящийся в сосуде под поршнем, действует на поршень с силой , где – давление газа, – площадь поршня. Если при этом поршень перемещается, то газ совершает работу.

При расширении газа эта работа будет положительной (сила давления газа и перемещение поршня направлены в одну сторону). При сжатии работа газа отрицательна (сила давления газа и перемещение поршня направлены в противоположные стороны).

Работа газа в изобарном процессе

Предположим, что газ расширяется при постоянном давлении . Тогда сила , с которой газ действует на поршень, также постоянна. Пусть поршень переместился на расстояние (рис. 1).

Газ расширяется в теплоизолированном сосуде

Рис. 1.

Работа газа равна:

Но – изменение объёма газа. Поэтому для работы газа при изобарном расширении мы получаем формулу:

(1)

Если и – начальный и конечный объём газа, то для работы газа имеем: . Изобразив данный процесс на -диаграмме, мы видим, что работа газа равна площади прямоугольника под графиком нашего процесса (рис. 2).

Газ расширяется в теплоизолированном сосуде

Рис. 2. Работа газа как площадь

Пусть теперь газ изобарно сжимается от объёма до объёма . С помощью аналогичных рассуждений приходим к формуле:

Но , и снова получается формула (1).

Работа газа опять-таки будет равна площади под графиком процесса на -диаграмме, но теперь со знаком минус.

Итак, формула выражает работу газа при постоянном давлении – как в процессе расширения газа, так и в процессе сжатия.

Работа газа в произвольном процессе

Геометрическая интерпретация работы газа (как площади под графиком процесса на -диаграмме) сохраняется и в общем случае неизобарного процесса.

Действительно, рассмотрим малое изменение объёма газа – настолько малое, что давление будет оставаться приблизительно постоянным. Газ совершит малую работу . Тогда работа газа во всём процессе найдётся суммированием этих малых работ:

Но данный интеграл как раз и является площадью криволинейной трапеции (рис. 3):

Газ расширяется в теплоизолированном сосуде

Рис. 3. Работа газа как площадь

Работа, совершаемая над газом

Наряду с работой , которую совершает газ по передвижению поршня, рассматривают также работу , которую поршень совершает над газом.

Если газ действует на поршень с силой , то по третьему закону Ньютона поршень действует на газ с силой , равной силе по модулю и противоположной по направлению: (рис. 4).

Газ расширяется в теплоизолированном сосуде

Рис. 4. Внешняя сила , действующая на газ

Следовательно, работа поршня равна по модулю и противоположна по знаку работе газа:

Так, в процессе расширения газ совершает положительную работу ; при этом работа, совершаемая над газом, отрицательна . Наоборот, при сжатии работа газа отрицательна , а работа, совершаемая поршнем над газом, положительна 0 right )’ class=’tex’ alt=’left ( {A}’ > 0 right )’ />.

Будьте внимательны: если в задаче просят найти работу, совершённую над газом, то имеется в виду работа .

Как мы знаем, существует лишь два способа изменения внутренней энергии тела: теплопередача и совершение работы.

Опыт показывает, что эти способы независимы – в том смысле, что их результаты складываются. Если телу в процессе теплообмена передано количество теплоты , и если в то же время над телом совершена работа , то изменение внутренней энергии тела будет равно:

(2)

Нас больше всего интересует случай, когда тело является газом. Тогда (где , как всегда, есть работа самого газа). Формула (2) принимает вид: , или

(3)

Соотношение (3) называется первым законом термодинамики. Смысл его прост: количество теплоты, переданное газу, идёт на изменение внутренней энергии газа и на совершение газом работы.

Напомним, что величина может быть и отрицательной: в таком случае тепло отводится от газа. Но первый закон термодинамики остаётся справедливым в любом случае. Он является одним из фундаментальных физических законов и находит подтверждение в многочисленных явлениях и экспериментах.

Применение первого закона термодинамики к изопроцессам

Напомним, что в изопроцессе остаётся неизменным значение некоторой величины, характеризующей состояние газа – температуры, объёма или давления. Для каждого вида изопроцессов запись первого закона термодинамики упрощается.

1. Изотермический процесс, .

Внутренняя энергия идеального газа зависит только от его температуры. Если температура газа не меняется, то не меняется и внутренняя энергия: . Тогда формула (3) даёт:

Всё подведённое к газу тепло идёт на совершение газом работы.

2. Изохорный процесс, .

Если объём газа остаётся постоянным, то поршень не перемещается, и потому работа газа равна нулю: . Тогда первый закон термодинамики даёт:

Всё тепло, переданное газу, идёт на изменение его внутренней энергии.

3. Изобарный процесс, .

Подведённое к газу тепло идёт как на изменение внутренней энергии, так и на совершение работы (для которой справедлива формула (1)). Имеем:

Адиабатный процесс

Процесс называется адиабатным, если он идёт без теплообмена с окружающими телами.

Адиабатный процесс совершается газом, находящимся в теплоизолированном сосуде. Такой сосуд препятствует всем видам теплопередачи: теплопроводности, конвекции, излучению. Пример теплоизолированного сосуда – термос.

Приблизительно адиабатным будет всякий процесс, протекающий достаточно быстро: в течение процесса теплообмен просто не успевает произойти.

При адиабатном процессе . Из первого закона термодинамики получаем: , или .

В процессе адиабатного расширения газ совершает положительную работу, поэтому (работа совершается за счёт убыли внутренней энергии). Следовательно, газ охлаждается. Если заставить газ совершить достаточно большую работу, охладить его можно весьма сильно. Именно на этом основаны методы сжижения газов.

Наоборот, в процессе адиабатного сжатия будет , поэтому : газ нагревается. Адиабатное нагревание воздуха используется в дизельных двигателях для воспламенения топлива.

Кривая, изображающая ход адиабатного процесса, называется адиабатой. Интересно сравнить ход адиабаты и изотермы на -диаграмме (рис. 5).

Газ расширяется в теплоизолированном сосуде

Рис. 5. Сравнительный ход изотермы и адиабаты

В обоих процессах давление убывает с увеличением объёма, но в адиабатном процессе убывание идёт быстрее. Почему?

При изотермическом расширении давление падает потому, что уменьшается концентрация частиц газа, в результате чего удары частиц по стенкам сосуда становятся реже. Однако интенсивность этих ударов остаётся прежней: ведь температура газа не меняется – значит, не меняется и средняя кинетическая энергия его частиц.

А при адиабатном расширении, наряду с уменьшением концентрации частиц, падает также и температура газа. Удары частиц становятся не только более редкими, но и более слабыми. Вот почему адиабата убывает быстрее изотермы.

Источник

e,C:c+&ثԯR21:G {RX>v_dD>[دl~KK^7TLҒ$S7#Jm3M_wu3,9}g6~gNΧ?˦g endstream endobj 985 0 obj 489 endobj 937 0 obj > endobj 938 0 obj > >> endobj 939 0 obj > stream xUn@,â$HR?M`’TDS &plj̹gν`@z/;RBA(uIzދ)/Oz-2f”oPXEW̾ZZ $Wz_ ;y- ǜplV2eu^fe-M[B(d.!5[ASp dkXB`U>FpѸg(1L9A8$~-fBo[gZ|]a88QTZB@9Px[4x0N VQKUzLi$lUBx4!L lpۏoT+’ÃGz0IHY[:y/U)A7嵾Ku J%-8oi[eGQ?hNj&Rz](=! B8C)wE0f@ΩX䫢:3+CHRChpn0`Հ”א!j1q :d|qG6K a4|S P6’dܪwٲp* K8y;ʋYVI%`C a!lã;sjkn6w.ŧ|+e& ({67){!Bޝl&᛻TWnʬXeeY-K,m_WWEwF` endstream endobj 940 0 obj 779 endobj 941 0 obj > /FirstChar 32 /LastChar 255 /Widths [ 233 248 368 618 526 847 782 196 370 370 447 714 308 422 274 429 501 496 502 502 502 502 500 501 501 500 274 308 634 714 634 448 816 683 673 732 823 666 644 838 824 392 416 766 639 974 831 764 625 764 726 567 653 823 643 893 671 648 679 352 429 352 498 548 297 467 508 470 533 461 304 464 550 278 243 502 271 839 557 534 531 523 356 364 314 536 459 688 472 474 450 362 158 362 613 233 789 589 308 409 523 818 548 548 2 1245 948 336 1079 766 835 827 545 308 308 523 523 714 712 898 2 839 700 336 783 545 550 607 233 689 474 416 730 546 158 520 666 846 731 455 740 422 842 392 318 714 392 278 393 538 543 250 461 1089 482 455 243 567 364 278 683 660 673 589 703 666 962 565 835 835 766 694 974 824 764 825 625 732 653 689 880 711 808 712 1134 1134 722 953 645 717 1094 700 467 527 494 409 509 461 715 424 588 588 545 520 675 600 534 588 531 470 443 474 721 472 587 521 831 831 529 718 473 488 773 515 ] /FontDescriptor 942 0 R /ToUnicode 948 0 R >> endobj 942 0 obj > endobj 943 0 obj > stream %!PS-AdobeFont-1.0: NewtonC 001.000 %%Creation: 08:01:96 %Copyright (c) 1990-1994 ParaGraph International. % 32 Krasikova street, 19th % Moscow 117418 Russia % phone: +7 (095) 129-1500 % fax: (7095) 129-0911 11 dict begin /Font 8 dict dup begin /version (001.000) readonly def /FullName (PT Newton Cyrillic) readonly def /FamilyName (NewtonC) readonly def /ItalicAngle 0.00 def /isFixedPitch false def /UnderlinePosition -100 def /UnderlineThickness 50 def end readonly def /FontName /CNHPRE+s-Roman def /PaintType 0 def /FontType 1 def /FontMatrix [0.001 0 0 0.001 0 0] readonly def /Encoding 256 array 0 1 255 {1 index exch /.notdef put} for dup 32 /space put dup 37 /percent put dup 40 /parenleft put dup 41 /parenright put dup 43 /plus put dup 44 /comma put dup 45 /hyphenminus put dup 46 /period put dup 47 /slash put dup 48 /zero put dup 49 /one put dup 50 /two put dup 51 /three put dup 52 /four put dup 53 /five put dup 54 /six put dup 55 /seven put dup 56 /eight put dup 57 /nine put dup 58 /colon put dup 59 /semicolon put dup 60 /less put dup 61 /equal put dup 62 /greater put dup 63 /question put dup 65 /A put dup 67 /C put dup 77 /M put dup 78 /N put dup 81 /Q put dup 82 /R put dup 84 /T put dup 86 /V put dup 91 /bracketleft put dup 93 /bracketright put dup 94 /asciicircum put dup 97 /a put dup 99 /c put dup 101 /e put dup 105 /i put dup 106 /j put dup 109 /m put dup 110 /n put dup 111 /o put dup 112 /p put dup 115 /s put dup 116 /t put dup 119 /w put dup 120 /x put dup 126 /asciitilde put dup 149 /bullet put dup 151 /emdash put dup 169 /copyright put dup 171 /guillemotleft put dup 173 /hyphen put dup 176 /degree put dup 187 /guillemotright put dup 192 /afii10017 put dup 193 /afii10018 put dup 194 /afii10019 put dup 195 /afii10020 put dup 196 /afii10021 put dup 197 /afii10022 put dup 198 /afii10024 put dup 199 /afii10025 put dup 200 /afii10026 put dup 201 /afii10027 put dup 202 /afii10028 put dup 203 /afii10029 put dup 204 /afii10030 put dup 205 /afii10031 put dup 206 /afii10032 put dup 207 /afii10033 put dup 208 /afii10034 put dup 209 /afii10035 put dup 210 /afii10036 put dup 211 /afii10037 put dup 212 /afii10038 put dup 213 /afii10039 put dup 214 /afii10040 put dup 215 /afii10041 put dup 216 /afii10042 put dup 219 /afii10045 put dup 220 /afii10046 put dup 221 /afii10047 put dup 222 /afii10048 put dup 223 /afii10049 put dup 224 /afii10065 put dup 225 /afii10066 put dup 226 /afii10067 put dup 227 /afii10068 put dup 228 /afii10069 put dup 229 /afii10070 put dup 230 /afii10072 put dup 231 /afii10073 put dup 232 /afii10074 put dup 233 /afii10075 put dup 234 /afii10076 put dup 235 /afii10077 put dup 236 /afii10078 put dup 237 /afii10079 put dup 238 /afii10080 put dup 239 /afii10081 put dup 240 /afii10082 put dup 241 /afii10083 put dup 242 /afii10084 put dup 243 /afii10085 put dup 244 /afii10086 put dup 245 /afii10087 put dup 246 /afii10088 put dup 247 /afii10089 put dup 248 /afii10090 put dup 249 /afii10091 put dup 250 /afii10092 put dup 251 /afii10093 put dup 252 /afii10094 put dup 253 /afii10095 put dup 254 /afii10096 put dup 255 /afii10097 put readonly def /FontBBox {-443 -211 1166 888} readonly def /UniqueID 5049033 def currentdict end currentfile eexec v!#EnTIgj v*y`BGW#*Šy+E|t|Á1vrD~”eC=,T”g~opP-%)eIBim9z+փl^dݶ- r^`Jftjsķ!qP0″?6!u

Источник

Задачи из ДЕМОВАРИАНТОВ (с решениями)
1. Воздушный шар, оболочка которого имеет массу М = 145 кг и объем V = 230 м3, наполняется горячим воздухом при нормальном атмосферном давлении и температуре окружающего воздуха tо = 0оС. Какую минимальную температуру t должен иметь воздух внутри оболочки, чтобы шар начал подниматься? Оболочка шара нерастяжима и имеет в нижней части небольшое отверстие.
Образец возможного решения
2. Воздушный шар с газонепроницаемой оболочкой массой 400 кг заполнен гелием. Он может удерживать в воздухе на высоте, где температура воздуха 17оС, а давление 105 Па, груз массой 225 кг. Какова масса гелия в оболочке шара? Считать, что оболочка шара не оказывает сопротивления изменению объема шара.
Образец возможного решения
2*. В камере, заполненной азотом, при температуре T = 300 К находится открытый цилиндрический сосуд (см. рис. 1). Высота сосуда L = 50 см. Сосуд плотно закрывают цилиндрической пробкой и охлаждают до температуры T1. В результате расстояние от дна сосуда до низа пробки становится равным h = 40 см (см. рис. 2). Затем сосуд нагревают до первоначальной температуры T0. Расстояние от дна сосуда до низа пробки при этой температуре становится равным H = 46 см (см. рис. 3). Чему равна температура T1? Величину силы трения между пробкой и стенками сосуда считать одинаковой при движении пробки вниз и вверх. Массой пробки пренебречь. Давление азота в камере во время эксперимента поддерживается постоянным.
Образец возможного решения
3. В медный стакан калориметра массой 200 г, содержащий 150 г воды, опустили кусок льда, имевший температуру 0°С. Начальная температура калориметра с водой 25°С. В момент времени, когда наступит тепловое равновесие, температура воды и калориметра стала равной 5°С. Рассчитайте массу льда. Удельная теплоемкость меди 390 Дж/кг•К, удельная теплоемкость воды 4200 Дж/кг•К, удельная теплота плавления льда 3,35•105 Дж/кг. Потери тепла калориметром считать пренебрежимо малыми.
Образец возможного решения
4. Необходимо расплавить лёд массой 0,2 кг, имеющий температуру 0оС. Выполнима ли эта задача, если потребляемая мощность нагревательного элемента – 400 Вт, тепловые потери составляют 30%, а время работы нагревателя не должно превышать 5 минут?
Образец возможного решения
4*. Теплоизолированный горизонтальный сосуд разделён пористой перегородкой на две равные части. В начальный момент в левой части сосуда находится ν = 2 моль гелия, а в правой – такое же количество моль аргона. Атомы гелия могут проникать через перегородку, а для атомов аргона перегородка непроницаема. Температура гелия равна температуре аргона: Т = 300 К. Определите отношение внутренних энергий газов по разные стороны перегородки после установления термодинамического равновесия.
Образец возможного решения
4**. Теплоизолированный цилиндр разделён подвижным теплопроводным поршнем на две части. В одной части цилиндра находится гелий, а в другой – аргон. В начальный момент температура гелия равна 300 К, а аргона – 900 К; объёмы, занимаемые газами, одинаковы, а поршень находится в равновесии. Поршень медленно перемещается без трения. Теплоёмкость поршня и цилиндра пренебрежимо мала. Чему равно отношение внутренней энергии гелия после установления теплового равновесия к его энергии в начальный момент?
Образец возможного решения
5. В вакууме закреплен горизонтальный цилиндр с поршнем. В цилиндре находится 0,1 моль гелия. Поршень удерживается упорами и может скользить влево вдоль стенок цилиндра без трения. В поршень попадает пуля массой 10 г, летящая горизонтально со скоростью 400 м/с, и застревает в нем. Температура гелия в момент остановки поршня в крайнем левом положении возрастает на 64 К. Какова масса поршня? Считать, что за время движения поршня газ не успевает обменяться теплом с поршнем и цилиндром.
Образец возможного решения
6. В горизонтальном цилиндрическом сосуде, закрытом поршнем, находится одноатомный идеальный газ. Первоначальное давление газа p1 = 4•105 Па. Расстояние от дна сосуда до поршня равно L. Площадь поперечного сечения поршня S = 25 см2. В результате медленного нагревания газ получил количество теплоты Q = 1,65 кДж, а поршень сдвинулся на расстояние x = 10 см. При движении поршня на него со стороны стенок сосуда действует сила трения величиной Fтр = 3•103 Н. Найдите L. Считать, что сосуд находится в вакууме.
Образец возможного решения
7. На pT-диаграмме показан цикл тепловой машины, у которой рабочим телом является идеальный газ (см. рисунок). На каком из участков цикла 1 – 2, 2 – 3, 3 – 4, 4 – 1 работа газа наибольшая по модулю?
Образец возможного решения
8. 10 моль одноатомного идеального газа сначала охладили, уменьшив давление в 3 раза, а затем нагрели до первоначальной температуры 300 К (см. рисунок). Какое количество теплоты получил газ на участке 2 – 3?
Образец возможного решения
9. 10 моль идеального одноатомного газа охладили, уменьшив давление в 3 раза. Затем газ нагрели до первоначальной температуры 300 К (см. рисунок). Какое количество теплоты сообщено газу на участке 2 – 3?
Образец возможного решения
10. 1 моль идеального одноатомного газа сначала охладили, а затем нагрели до первоначальной температуры 300 К, увеличив объем газа в 3 раза (см. рисунок). Какое количество теплоты отдал газ на участке 1 – 2?
Образец возможного решения
10*. Над одноатомным идеальным газом проводится циклический процесс, показанный на рисунке. На участке 1-2 газ совершает работу А12 = 1000 Дж. На адиабате 3-1 внешние силы сжимают газ, совершая работу |A31| = 370 Дж. Количество вещества газа в ходе процесса не меняется. Найдите количество теплоты |Qхол|, отданное газом за цикл холодильнику.
Образец возможного решения
11. Рассчитайте КПД тепловой машины, использующей в качестве рабочего тела одноатомный идеальный газ и работающей по циклу, изображенному на рисунке.
Образец возможного решения
Избранные задачи прошлых лет (с ответами)
12. Вертикально расположенный замкнутый цилиндрический сосуд высотой 50 см разделен подвижным поршнем весом 110 Н на две части, в каждой из которых содержится одинаковое количество идеального газа при температуре 361 К. Сколько молей газа находится в каждой части цилиндра, если поршень находится на высоте 20 см от дна сосуда? Толщиной поршня пренебречь.
13. В калориметре находился лед при температуре t1 = – 5 °С. Какой была масса m1 льда, если после добавления в калориметр m2 = 4 кг воды, имеющей температуру t2 = 20 °С, и установления теплового равновесия температура содержимого калориметра оказалась равной t = 0 °С, причем в калориметре была только вода?
14. Теплоизолированный цилиндр разделен подвижным теплопроводным поршнем на две части. В одной части цилиндра находится гелий, а в другой – аргон. В начальный момент температура гелия равна 300 К, а аргона – 900 К. При этом объемы, занимаемые газами одинаковы. Какую температуру будут иметь газы в цилиндре после установления теплового равновесия, если поршень перемещается без трения? Теплоемкостью сосуда и поршня пренебречь.
15. Теплоизолированный сосуд объемом V = 2 м3 разделен теплопроводящей перегородкой на две части одинакового объема. В одной части находится m = 1 кг гелия, а в другой части m = 1 кг аргона. Средняя квадратичная скорость атомов аргона равна средней квадратичной скорости атомов гелия и составляет υ = 500 м/с. Рассчитайте парциальное давление гелия после удаления перегородки.
16. Теплоизолированный сосуд объемом V = 2 м3 разделен пористой перегородкой на две равные части. В начальный момент в одной части сосуда находится νHe = 2 моль гелия, а в другой – νAr = 1 моль аргона. Температура гелия ТHe = 300 К, а температура аргона ТAr = 600 К. Атомы гелия могут свободно проникать через поры в перегородке, а атомы аргона – нет. Определите температуру гелия после установления теплового равновесия в системе.
17. С одним молем идеального одноатомного газа совершают процесс 1-2-3-4, показанный на рисунке в координатах V-Т. Во сколько раз количество теплоты, полученное газом в процессе 1-2-3-4 больше работы газа в этом процессе?
18. Один моль одноатомного идеального газа совершает процесс 1-2-3 (см. рисунок). На участке 2 – 3 к газу подводят 3 кДж теплоты. Т0 = 100 К. Найдите отношение работы, совершаемой газом в ходе всего процесса А123, к соответствующему полному количеству подведенной к нему теплоты Q123.
19. Один моль идеального одноатомного газа сначала изотермически сжали (Т1 = 300 К). Затем газ изохорно охладили, понизив давление в 3 раза (см. рисунок). Какое количество теплоты отдал газ на участке 2 – 3?
20. Идеальный одноатомный газ расширяется сначала адиабатно, а затем изобарно. Конечная температура газа равна начальной (см. рисунок). За весь процесс 1-2-3 газом совершается работа, равная 5 кДж. Какую работу совершает газ при адиабатном расширении?
21. На рисунке в координатах p,T показан цикл тепловой машины, у которой рабочим телом является идеальный газ. На каком участке цикла работа газа наименьшая по модулю?
22. Один моль одноатомного идеального газа совершает цикл, изображенный на pV-диаграмме (см. рисунок). Участок 1 – 2 — изотерма, 2 – 3 — изобара, 3 – 1 — адиабата. Работа, совершаемая газом за цикл, равна А. Разность температур в состояниях 1 и 3 составляет ΔТ. Какую работу совершает газ при изотермическом процессе?
23. Газообразный гелий находится в цилиндре под подвижным поршнем. Газ сжимают в адиабатическом процессе, переводя его из состояния 1 в состояние 2 (см. рис.). Над газом совершается при этом работа сжатия А12 (А12> 0). Затем газ расширяется в изотермическом процессе 2-3, и, наконец, из состояния 3 газ переводят в состояние 1 в процессе, когда его давление Р прямо пропорционально объему V. Найти работу А23, которую совершил газ в процессе изотермического расширения, если во всем замкнутом цикле 1-2-3-1 он совершил работу А.
24. Температура гелия увеличилась в k = 3 раза в процессе P2V = const (Р – давление, V – объем газа), а его внутренняя энергия изменилась на 100 Дж. Найти: 1) начальный объем V1 газа; 2) начальное давление P1 газа. Максимальный объем, который занимал газ в процессе нагрева, равнялся Vmax = 3 л.
25. Одноатомный идеальный газ неизменной массы совершает циклический процесс, показанный на рисунке. За цикл от нагревателя газ получает количество теплоты QH = 8 кДж. Чему равна работа газа за цикл?
Ответы к избранным задачам прошлых лет

Источник