21

Решение: Изменение газа на pT-диаграмме

ЕГЭ · Физика · Задание 21 · Молекулярная физика
ПовышеннаяФИПИ1DAC06Развёрнутое решение≈ 6 минутРазбор в 5 шагов
Условие

На $pT$-диаграмме показано, как изменялись давление и абсолютная температура некоторого постоянного количества одноатомного разреженного газа при его переходе из начального состояния 1 в состояние 4. Как при этом изменялись объём газа $V$ и его внутренняя энергия $U$ на каждом из трёх участков 1–2, 2–3, 3–4 (увеличивались, уменьшались или же оставались постоянными)? Ответ поясните, указав, какие физические явления и законы Вы использовали для объяснения.

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

Для постоянного количества идеального газа применяем уравнение Менделеева–Клапейрона.

$$pV = \nu RT$$
2

На участке 1–2 график является прямой, проходящей через начало координат, поэтому отношение $p/T$ постоянно. Следовательно, объём газа не изменяется.

$$\frac{p}{T} = \mathrm{const} \Rightarrow V = \frac{\nu RT}{p} = \mathrm{const}$$
3

На участке 1–2 температура увеличивается. Внутренняя энергия одноатомного идеального газа зависит только от температуры, поэтому она увеличивается.

$$U = \frac{3}{2}\nu RT$$
4

На участке 2–3 давление постоянно, а температура увеличивается. Согласно закону Шарля, объём газа увеличивается. Так как температура растёт, внутренняя энергия также увеличивается.

$$p = \mathrm{const},\quad \frac{V}{T} = \mathrm{const}$$

На участке 3–4 температура постоянна, а давление увеличивается. По закону Бойля–Мариотта объём уменьшается. Внутренняя энергия при постоянной температуре остаётся неизменной.

$$T = \mathrm{const},\quad pV = \mathrm{const},\quad U = \mathrm{const}$$
Ответ

1–2: объём постоянен, внутренняя энергия увеличивается; 2–3: объём увеличивается, внутренняя энергия увеличивается; 3–4: объём уменьшается, внутренняя энергия постоянна.

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

Где здесь ошибаются

Считать, что на участке 1–2 давление постоянно, хотя на графике изменяются и давление, и температура.

Определять изменение внутренней энергии по давлению, не учитывая, что для идеального газа она зависит только от температуры.

Путать вертикальный участок на $pT$-диаграмме с изохорным процессом: вертикальный участок означает постоянную температуру.

Закрепить приёмВ теме «Молекулярная физика» ещё 217 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 «Молекулярная физика»: в ней 218 задач, и у каждой есть такой же разбор. Регистрация не нужна.