24

Решение: Изотермическое расширение водяного пара

ЕГЭ · Физика · Задание 24 · Тепловые процессы и машины
ВысокаяФИПИCA089FРазвёрнутое решение≈ 15 минутРазбор в 6 шагов
Условие

В цилиндре под поршнем при комнатной температуре $t_0$ долгое время находится только вода и её пар. Масса жидкости в два раза больше массы пара. Первоначальное состояние системы показано точкой на $pV$-диаграмме. Медленно перемещая поршень, объём $V$ под поршнем изотермически увеличивают от $V_0$ до $6V_0$. Постройте график зависимости давления $p$ в цилиндре от объёма $V$ на отрезке от $V_0$ до $6V_0$. Укажите, какими закономерностями Вы при этом воспользовались.

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

6 шагов
1

Обозначим давление в начальной точке через $p_0$. При температуре $t_0$ наличие одновременно воды и её пара означает, что пар является насыщенным.

2

При медленном изотермическом увеличении объёма часть воды испаряется. Пока жидкость ещё присутствует, давление насыщенного пара при постоянной температуре не изменяется: $p=p_0$.

3

Пусть первоначальная масса пара равна $m$. Тогда масса воды равна $2m$. После полного испарения масса пара станет $3m$, то есть увеличится в три раза. При постоянной температуре и постоянном давлении объём пара пропорционален его массе, поэтому полное испарение воды произойдёт при объёме $V=3V_0$.

4

На участке от $V_0$ до $3V_0$ график является горизонтальным отрезком: $p=p_0$.

5

После испарения всей воды в цилиндре остаётся только пар. Его дальнейшее расширение происходит при постоянной температуре, поэтому выполняется закон Бойля — Мариотта: $pV=\mathrm{const}$. Для второго участка $pV=3p_0V_0$, следовательно, $p=\dfrac{3p_0V_0}{V}$.

При $V=6V_0$ давление равно $p=\dfrac{3p_0V_0}{6V_0}=\dfrac{p_0}{2}$. Поэтому на графике после точки $(3V_0,p_0)$ идёт убывающая гипербола до точки $(6V_0,p_0/2)$.

Ответ

График состоит из горизонтального отрезка $p=p_0$ при $V_0\leq V\leq 3V_0$ и участка гиперболы $p=\dfrac{3p_0V_0}{V}$ при $3V_0\leq V\leq 6V_0$, заканчивающегося в точке $(6V_0,p_0/2)$.

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

Где здесь ошибаются

Считать, что давление насыщенного пара уменьшается при расширении, пока в цилиндре остаётся жидкость.

Применить закон Бойля — Мариотта ко всему процессу, включая участок испарения воды.

Неверно определить объём полного испарения как $2V_0$ вместо $3V_0$.

Провести прямую линию вместо гиперболы на участке, где в цилиндре остаётся только пар.

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

Как решать задание 24 ЕГЭ, физика

Разбор этой задачи разложен на 6 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.