21

Решение: Изотермическое сжатие пара и воздуха

ЕГЭ · Физика · Задание 21 · Тепловые процессы и машины
ВысокаяФИПИ2C751AРазвёрнутое решение≈ 10 минутРазбор в 7 шагов
Условие

В одном сосуде под поршнем в объёме $V_0$ при комнатной температуре находится только насыщенный водяной пар и вода, которая занимает малый объём. В другом сосуде под поршнем в объёме $V_0$ при том же давлении $p_0$ находится сухой воздух. Воздух и водяной пар изотермически сжимают так, что объём под поршнем уменьшается в 2 раза. Постройте графики этих двух процессов в переменных $p$–$V$. Опираясь на законы молекулярной физики, объясните построение графиков.

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

7 шагов
1

Рассмотрим сухой воздух. Его масса и температура постоянны, поэтому выполняется закон Бойля–Мариотта.

$$pV=\mathrm{const}$$
2

В начальном состоянии воздух имеет параметры $p_0$ и $V_0$. В конечном состоянии объём равен $V_0/2$.

$$p_0V_0=p_2\frac{V_0}{2}$$
3

Следовательно, давление воздуха в конце сжатия увеличивается в два раза.

$$p_2=2p_0$$
4

График процесса для воздуха представляет собой участок гиперболы $p=p_0V_0/V$, соединяющий точки $(V_0,p_0)$ и $(V_0/2,2p_0)$. При сжатии движение по графику направлено влево и вверх.

5

В первом сосуде при комнатной температуре одновременно присутствуют насыщенный водяной пар и жидкая вода. Давление насыщенного пара при данной температуре определяется только температурой, а не объёмом сосуда.

6

При изотермическом сжатии часть пара конденсируется в воду. Поэтому пар остаётся насыщенным, а его давление не изменяется и равно начальному давлению $p_0$.

График процесса для водяного пара является горизонтальным отрезком $p=p_0$, соединяющим точки $(V_0,p_0)$ и $(V_0/2,p_0)$. Наличие воды обеспечивает возможность конденсации и сохранения насыщенного состояния.

Ответ

Для сухого воздуха: гипербола $pV=p_0V_0$ от точки $(V_0,p_0)$ до точки $(V_0/2,2p_0)$. Для насыщенного водяного пара: горизонтальный отрезок $p=p_0$ от точки $(V_0,p_0)$ до точки $(V_0/2,p_0)$; при сжатии часть пара конденсируется.

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

Где здесь ошибаются

Строят для насыщенного пара гиперболу $pV=\mathrm{const}$, не учитывая наличие жидкой воды.

Считают, что давление насыщенного пара увеличивается при уменьшении объёма.

Забывают, что для сухого воздуха при уменьшении объёма в 2 раза давление увеличивается в 2 раза.

Неверно направляют процесс на графике: при сжатии объём уменьшается, поэтому движение идёт влево.

Закрепить приёмВ теме «Тепловые процессы и машины» ещё 102 задачи — с ответом и таким же разбором.
Тренироваться

Как решать задание 21 ЕГЭ, физика

Разбор этой задачи разложен на 7 шагов: видно, откуда берётся каждое число и где теряется балл. Ответ приведён рядом с выкладками, а не вместо них.

Задача из темы «Тепловые процессы и машины»: в ней 103 задачи, и у каждой есть такой же разбор. Регистрация не нужна.