РУҚА
24

Решение: Площадь поршня в термодинамическом процессе

ЕГЭ · Физика · Задание 24 · Основы термодинамики
ВысокаяФИПИ5CBF60Развёрнутое решение≈ 10 минутРазбор в 8 шагов
Условие

В горизонтальном цилиндре с гладкими стенками под массивным поршнем находится одноатомный идеальный газ. Поршень соединён с основанием цилиндра пружиной с жёсткостью $k$. В начальном состоянии расстояние между поршнем и основанием цилиндра было равно $L$, а давление газа в цилиндре было равно внешнему атмосферному давлению $p_0$. Затем газу было передано количество теплоты $Q$, и в результате поршень медленно переместился вправо на расстояние $b$. Чему равна площадь поршня $S$?

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

8 шагов
1

В начальном состоянии давление газа равно атмосферному, поэтому сила упругости пружины равна нулю. После перемещения поршня на расстояние $b$ пружина растянута и действует на поршень с силой $kb$.

$$p_1S=p_0S+kb$$
2

Конечное давление газа равно

$$p_1=p_0+\frac{kb}{S}$$
3

Объёмы газа в начальном и конечном состояниях:

$$V_0=SL,\qquad V_1=S(L+b)$$
4

Для одноатомного идеального газа изменение внутренней энергии определяется изменением произведения $pV$:

$$\Delta U=\frac{3}{2}(p_1V_1-p_0V_0)$$
5

Подставим выражения для давления и объёмов:

$$\Delta U=\frac{3}{2}\left[\left(p_0+\frac{kb}{S}\right)S(L+b)-p_0SL\right]=\frac{3}{2}\left(p_0Sb+kbL+kb^2\right)$$
6

Работа газа складывается из работы против атмосферного давления и работы по растяжению пружины:

$$A=p_0Sb+\int_0^b kx\,dx=p_0Sb+\frac{1}{2}kb^2$$
7

По первому закону термодинамики:

$$Q=\Delta U+A=\frac{5}{2}p_0Sb+\frac{3}{2}kbL+2kb^2$$

Решая это уравнение относительно площади поршня, получаем:

$$S=\frac{2Q-3kbL-4kb^2}{5p_0b}$$
Ответ

$S=\dfrac{2Q-3kbL-4kb^2}{5p_0b}$

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

Где здесь ошибаются

Не учитывать работу газа против атмосферного давления.

Считать работу пружины равной $kb^2$ вместо $\dfrac{1}{2}kb^2$.

Использовать формулу для изменения внутренней энергии с коэффициентом $\dfrac{3}{2}$ не для изменения $pV$.

Забыть, что конечный объём газа равен $S(L+b)$.

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

Как решать задание 24 ЕГЭ, физика

Разбор этой задачи разложен на 8 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.