- •Кафедра оФиФнгп
- •Сборник задач по физике
- •И примеры их решения
- •Часть
- •Предисловие
- •Программа курса физики
- •Методические указания к решению задач и выполнению контрольных работ
- •Молекулярная физика и термодинамика
- •Электростатика
- •Библиографический список
- •Контрольная работа № 1
- •Механика
- •Основные формулы
- •Кинематика
- •Динамика
- •Законы сохранения
- •Динамика твердого тела
- •Механические колебания
- •Примеры решения задач
- •Решение
- •Решение
- •Решение
- •Решение
- •Решение
- •Решение
- •3,8.1016 Дж.
- •Задачи для самостоятельного решения
- •Контрольная работа №2
- •Термодинамика
- •Электростатика
- •Примеры решения задач
- •Решение
- •Решение
- •Решение
- •Решение
- •Решение
- •Решение
- •Решение
- •Решение
- •Решение
- •Решение
- •Решение
- •Решение
- •Решение
- •Задачи для самостоятельного решения
- •1. Основные физические константы
- •2. Молярная масса м, 10–3 (кг/моль)
Решение
Решение задачи
упрощается, если заданные процессы
изобразить на
,
–
диаграмме (см. рис. 20). Количество теплоты
находится из первого начала термодинамики
(9Ф)

Q = ΔU + A, (1)
В данной задаче
на участке
1 –
2
(изохора) объем не изменяется (рис. 20) и
работа
=
0 (см. (10Ф), где dV
=
0). Следовательно,
работа
совершается газом только на участке 2
–
3 при изобарном расширении А23
=
А =
P2(V2
–
V1).
Используем формулу работы газа для
изобарного процесса (см. (11Ф)), где для
нашей задаче ΔТ
=
Т1
–
Т2
(см. рис. 20). В результате получим:
A = νR(T1 – T2), (2)
Применяя уравнения Менделеева–Клапейрона (2Ф) к состояниям газа 1 и 2 при изохорном процессе (см. рис. 20), получим:

откуда, учитывая условие задачи,

Подставим эту формулу в уравнение (2), и найдем работу, совершенную газом в данном процессе:

Приращение внутренней энергии (см. (8Ф))

где
–
число степеней свободы. В данном сложном
процессе начальная и конечная температуры
равны (на рис. т. т. 1
и 3),
следовательно,
Тогда из (1) искомое количество теплоты
.
Учитывая формулу (3), получим:

Пример 5.
Водород
массойm
=
20,0 г находится при температуре
=
300 К. Его объем при адиабатическом
процессе увеличился в n
=
V2/V1
=
5,00 раз, затем
при изотермическом процессе уменьшился
до прежнего значения. Найти: температуру
в конце адиабатического расширения;
работу газа и приращение внутренней
энергии при этих процессах.
Решение
Процессы расширения
и сжатия газа изобразим графически в
системе координат
(см. рис. 21). Параметры газа можно определить
из уравнений адиабатического и
изотермического процессов. При
адиабатическом процессе температура
и объем газа в состояниях1
и 2
связаны между собой уравнением Пуассона
(14Ф)

откуда, учитывая условие задачи, получим:

где
постоянная адиабаты
.
Для молекулярного водорода (число
степеней свободы
=
5) молярная теплоемкость при постоянном
давлении (7Ф)
,
гдеR
=
8,31 Дж/(моль.К)
–
универсальная газовая постоянная
(находится из таблицы). Молярная
теплоемкость при постоянном объеме
,
тогдаγ
=
1,4.
Подставляя это значение γ
в (1), найдем температуру:
=
158 К. Работа газа при адиабатическом
расширении (см. (13Ф), где число молей ν
=
m/M)

Учли, что молярная
масса водорода
кг/моль (находится из таблицы). Работа
газа при изотермическом процессе (12Ф)
для нашей задачи (см. рис. 21)

Учитывая условие задачи и выражение (1), найдем работу при изотермическом сжатии:

Знак «минус» показывает, что при сжатии газа работа совершается внешними силами. Для определения приращения внутренней энергии газа при адиабатическом процессе воспользуемся первым началом термодинамики (9Ф)

В данном процессе
=
0, и приращение внутренней энергии при
адиабатическом расширении с учетом (2)
равно
ΔU1 = – A1 = – 29,5 кДж.
При изотермическом
процессе Т
=
const
и
=
0. Следовательно,

Пример 6.
У тепловой машины, работающей по циклу
Карно, температура нагревателя
вn
=
1,6 раза больше температуры холодильника
.
За один цикл машина производит полезную
работу
А =
12 кДж. Какая работа
за цикл затрачивается внешними силами
на изотермическое сжатие рабочего тела?
