В цилиндрическом сосуде под поршнем находится пар

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: