24

Решение: Жёсткость пружины газа

ЕГЭ · Физика · Задание 24 · Основы термодинамики
ВысокаяФИПИBB2FF8Развёрнутое решение≈ 15 минутРазбор в 8 шагов
Условие

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

Считайте, что процесс протекает медленно, а начальная пружина не деформирована.

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 пружина не деформирована. Начальный объём газа равен $V_1 = SL$.

2

После перемещения поршня объём газа становится равным $V_2 = S(L+b)$. Сила упругости пружины равна $kb$, поэтому из условия равновесия поршня давление газа в конечном состоянии равно

$$p_2S = p_0S + kb,\qquad p_2 = p_0 + \frac{kb}{S}$$
3

Работа газа складывается из работы против атмосферного давления и работы против упругой силы пружины:

$$A = p_0Sb + \int_0^b kx\,dx = p_0Sb + \frac{kb^2}{2}$$
4

Для одноатомного идеального газа изменение внутренней энергии можно выразить через величину $pV$:

$$\Delta U = \frac{3}{2}(p_2V_2-p_1V_1)$$
5

Подставим параметры начального и конечного состояний:

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

По первому закону термодинамики $Q = \Delta U + A$:

$$Q = \frac{3}{2}\left[p_0Sb+kb(L+b)\right] + p_0Sb + \frac{kb^2}{2}$$
7

Сгруппируем слагаемые и выразим жёсткость пружины:

$$Q = \frac{5}{2}p_0Sb + k\left(\frac{3}{2}Lb+2b^2\right)$$

Отсюда

$$k = \frac{Q-\frac{5}{2}p_0Sb}{\frac{3}{2}Lb+2b^2} = \frac{2Q-5p_0Sb}{b(3L+4b)}$$
Ответ

$k = \dfrac{2Q-5p_0Sb}{b(3L+4b)}$

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

Где здесь ошибаются

Не учитывают работу газа против атмосферного давления.

Считают работу пружины равной $k b^2$ вместо $\dfrac{kb^2}{2}$.

Используют формулу изменения внутренней энергии с коэффициентом $\dfrac{5}{2}$ вместо $\dfrac{3}{2}$ для одноатомного газа.

Не учитывают изменение давления газа при растяжении пружины.

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.