21

Решение: Нагрев газа и пробка

ЕГЭ · Физика · Задание 21 · Основы термодинамики
ПовышеннаяФИПИ1D4573Развёрнутое решение≈ 8 минутРазбор в 5 шагов
Условие

В сосуде объёмом $V = 0{,}02\ \text{м}^3$ с жёсткими стенками находится одноатомный газ при атмосферном давлении. В крышке сосуда имеется отверстие площадью $s$, заткнутое пробкой. Максимальная сила трения покоя $F$ пробки о края отверстия равна $100\ \text{Н}$. Пробка выскакивает, если газу передать количество теплоты не менее $15\ \text{кДж}$. Определите значение $s$, полагая газ идеальным.

Открыть задачу и решить самому
Дальше ответЕсли ещё решаете — начните с подсказок: они ведут к ответу, но не выдают его.
К подсказкам

Решение по шагам

5 шагов
1

Сосуд имеет жёсткие стенки, поэтому его объём постоянен. Работа газа при нагревании равна нулю, и по первому закону термодинамики всё переданное тепло идёт на увеличение внутренней энергии:

$$Q = \Delta U$$
2

Для одноатомного идеального газа внутренняя энергия выражается формулой $U = \dfrac{3}{2}\nu RT$. При постоянном объёме из уравнения Менделеева–Клапейрона следует $\nu R\Delta T = V\Delta p$, поэтому:

$$\Delta U = \dfrac{3}{2}V\Delta p$$
3

Найдём разность между давлением газа в момент начала движения пробки и атмосферным давлением:

$$\Delta p = \dfrac{2Q}{3V} = \dfrac{2\cdot 15\cdot 10^3}{3\cdot 0{,}02} = 5\cdot 10^5\ \text{Па}$$
4

В момент выскакивания пробки сила, создаваемая разностью давлений, равна максимальной силе трения покоя:

$$\Delta p\,s = F$$

Следовательно, площадь отверстия равна:

$$s = \dfrac{F}{\Delta p} = \dfrac{100}{5\cdot 10^5} = 2\cdot 10^{-4}\ \text{м}^2$$
Ответ

$s = 2\cdot 10^{-4}\ \text{м}^2$

Этот ответ получен в разборе, но не сверен с официальным ключом из банка — проверьте выкладки, прежде чем заучивать результат.

Где здесь ошибаются

Учитывают работу газа, хотя сосуд имеет жёсткие стенки и его объём не изменяется.

Используют всю величину давления газа вместо разности давлений внутри сосуда и атмосферы.

Забывают, что при начале движения пробки сила давления равна максимальной силе трения.

Закрепить приёмВ теме «Основы термодинамики» ещё 170 задач — с ответом и таким же разбором.
Тренироваться

Как решать задание 21 ЕГЭ, физика

Разбор этой задачи разложен на 5 шагов: видно, откуда берётся каждое число и где теряется балл. Ответ приведён рядом с выкладками, а не вместо них.

Задача из темы «Основы термодинамики»: в ней 171 задача, и у каждой есть такой же разбор. Регистрация не нужна.