24

Решение: КПД газовой тепловой машины

ЕГЭ · Физика · Задание 24 · Тепловые процессы и машины
ВысокаяФИПИFFF4F8Развёрнутое решение≈ 10 минутРазбор в 6 шагов
Условие

В качестве рабочего тела в тепловой машине используется идеальный одноатомный газ, который совершает циклический процесс, состоящий из изобарного нагревания $1 \to 2$, изохорного охлаждения $2 \to 3$ и адиабатного сжатия $3 \to 1$. Работа газа $A_{12}$ в изобарном процессе в 2 раза больше работы $A'_{31}$, совершённой над газом при адиабатном сжатии. Найдите КПД этой тепловой машины. Масса газа остаётся постоянной.

Иллюстрация к условию

Циклический процесс на диаграмме $p(V)$. Саму картинку ещё готовим — у остальных задач темы она на месте.

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

На участке $1 \to 2$ газ нагревается при постоянном давлении, поэтому полученное тепло равно сумме изменения внутренней энергии и работы газа:

$$Q_{12}=\Delta U_{12}+A_{12}$$
2

Для одноатомного идеального газа $\Delta U_{12}=\dfrac{3}{2}\nu R(T_2-T_1)$. Так как процесс изобарный, работа газа связана с изменением температуры соотношением $A_{12}=\nu R(T_2-T_1)$.

$$\Delta U_{12}=\dfrac{3}{2}A_{12}$$
3

Следовательно, количество теплоты, полученное газом за цикл, равно:

$$Q_{\text{подв}}=Q_{12}=\dfrac{5}{2}A_{12}$$
4

На участке $2 \to 3$ объём постоянен, поэтому работа газа равна нулю. На участке $3 \to 1$ газ сжимается, и над ним совершается работа $A'_{31}$. Поэтому работа газа за цикл:

$$A_{\text{цикла}}=A_{12}-A'_{31}$$
5

По условию $A_{12}=2A'_{31}$, откуда $A'_{31}=\dfrac{1}{2}A_{12}$. Тогда:

$$A_{\text{цикла}}=A_{12}-\dfrac{1}{2}A_{12}=\dfrac{1}{2}A_{12}$$

Коэффициент полезного действия тепловой машины равен отношению работы цикла к подведённому теплу:

$$\eta=\dfrac{A_{\text{цикла}}}{Q_{\text{подв}}}=\dfrac{\frac{1}{2}A_{12}}{\frac{5}{2}A_{12}}=\dfrac{1}{5}=0{,}2$$
Ответ

$\eta=0{,}20=20\%$

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

Где здесь ошибаются

Учитывают работу на изохорном участке $2 \to 3$, хотя она равна нулю.

Вычитают из работы цикла работу, совершённую газом при сжатии, вместо работы, совершённой над газом.

Используют только изменение внутренней энергии при вычислении теплоты на изобарном участке и не учитывают работу газа.

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.