24

Решение: Охлаждение воздуха в сосуде

ЕГЭ · Физика · Задание 24 · Давление и плавание тел
ВысокаяФИПИACC239Развёрнутое решение≈ 15 минутРазбор в 5 шагов
Условие

Сосуд с воздухом, отделённым от атмосферы поршнем, поместили в сосуд с водой и прикрепили ко дну кастрюли нитью, не дающей сосуду всплыть на поверхность. Начальная температура воздуха в сосуде и воды в кастрюле $t_1 = 18\ ^\circ\mathrm{C}$. Кастрюлю помещают в холодильник. Ниже какой температуры $t_2$ должна охладиться вода, чтобы сосуд опустился на дно кастрюли? Начальный объём воздуха в сосуде $V_1 = 2\ \mathrm{дм^3}$. Масса сосуда с поршнем $m = 2{,}2\ \mathrm{кг}$. Сосуд и поршень изготовлены из стали, плотность которой $\rho = 7800\ \mathrm{кг/м^3}$. Поршень может скользить без трения со стенками сосуда. Считать массу воздуха в сосуде намного меньшей, чем масса сосуда с поршнем.

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

При достижении дна сила Архимеда равна весу сосуда с поршнем. Объём вытесненной воды равен сумме объёма воздуха и объёма стали.

$$\rho_\text{в}g\left(V_2+\frac{m}{\rho}\right)=mg$$
2

Выразим объём воздуха в сосуде в момент опускания на дно, приняв плотность воды равной $1000\ \mathrm{кг/м^3}$:

$$V_2=\frac{m}{\rho_\text{в}}-\frac{m}{\rho}=\frac{2{,}2}{1000}-\frac{2{,}2}{7800}\approx1{,}92\cdot10^{-3}\ \mathrm{м^3}$$
3

Поршень движется без трения, поэтому давление воздуха остаётся постоянным. Для изобарического процесса применим закон Шарля.

$$\frac{V_1}{T_1}=\frac{V_2}{T_2}$$
4

Переведём начальную температуру в кельвины и найдём конечную температуру:

$$T_1=18+273=291\ \mathrm{К},\qquad T_2=T_1\frac{V_2}{V_1}=291\cdot\frac{1{,}92}{2{,}00}\approx279{,}5\ \mathrm{К}$$

Переведём результат в градусы Цельсия:

$$t_2=T_2-273\approx6{,}5\ ^\circ\mathrm{C}$$
Ответ

Вода должна охладиться примерно до $t_2 \approx 6{,}5\ ^\circ\mathrm{C}$.

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

Где здесь ошибаются

Не учитывают объём стали при вычислении объёма вытесненной воды.

Используют температуру в градусах Цельсия вместо температуры в кельвинах.

Считают, что объём вытесненной воды равен только объёму воздуха.

Забывают, что при движении поршня давление воздуха постоянно.

Закрепить приёмВ теме «Давление и плавание тел» ещё 95 задач — с ответом и таким же разбором.
Тренироваться

Как решать задание 24 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 «Давление и плавание тел»: в ней 96 задач, и у каждой есть такой же разбор. Регистрация не нужна.