Примеры решения задач
1. Кислород массой 320 г. Нагревают при постоянном давлении от 300 до 310к. Определить количество теплоты, поглощенное газом, изменение внутренней энергии и работу расширения газа.
Дано: |
|
Найти: |
|
Решение: Количество теплоты, необходимое для нагревания газа при постоянном давлении, определим из 1- го начала термодинамики:
(1)
Здесь Ср - молярная изобарная теплоемкость, M – молярная масса газа;
,
где
для кислорода как двухатомного газа;
M=32
кг/кмоль =
Подставляя в (1) числовые значения, получим:
Изменение внутренней энергии газа:
(2)
Подставляя
числовые значения и учтя, что
,
получим:
Работа
расширения газа при изобарном процессе:
,
(3), где
- изменение объема газа при расширении
можно найти из уравнения Клапейрона-Менделеева:
Для
двух состояний газа при изобарном
процессе:
(4)
(5),
и тогда вычитая почленно (5) из (4), получим:
и подставляя в (3), находим:
=
Проверка: Q = ∆U + A; 2910 Дж = 2080 Дж + 830 Дж.
Ответ: Q= 2910 Дж, U=2080 Дж, A=830Дж.
2. Как изменится энтропия 2 г водорода, занимающего объем 40 л при температуре 270К, если давление увеличить вдвое при постоянной температуре, а затем повысить температуру до 320К при постоянном объеме.
Дано: m = 2 г = 2∙10-3 кг; М = 2 кг/моль; V = 40 л = 4∙10-2 м3 Т1 = 270К; Т2 = 320К; Р2= 2Р1.
Найти: ΔS.
Решение:
Изменение энтропии определяется
формулой:
,
где dQ – количество теплоты, полученное в данном процессе.
Изменение энтропии согласно условию происходит за счет двух процессов:
изотермического и 2) изохорического. Тогда:
Количество теплоты dQ1 и dQ2 найдем из 1- го начала термодинамики для этих процессов:
.
1)
P найдем из уравнения Клапейрона-Менделеева:
,
тогда
и
;
т.к. при T = const, P1V1 = P2V2 .
2)
(т.к. dV
= 0 и dA
= 0 при V
= const)
;
Подставляя численные значения, получим:
Ответ: S= -2,27Дж/К.
Задачи для самостоятельного решения
1.
Баллон объемом V=30
л заполнен кислородом. Температура Т
кислорода равна 350 К. Когда часть азота
израсходовали, давление в баллоне
понизилось на
=200
кПа. Определить массу m
израсходованного кислорода. Процесс
считать изотермическим.
2.
В баллоне объемом V=20
л находится водород под давлением
=600
кПа и температуре
= 320 К. Когда из баллона было взято
некоторое количество водорода, давление
в баллоне понизилось до
=400
кПа, а температура установилась
=260
К. Определить массу m
водорода, взятого из баллона.
3. Два сосуда одинакового объема содержат кислород. В одном сосуде давление =2,5 МПа и температура =700 К, в другом =3,5 МПа, =250 К. Сосуды соединили трубкой и охладили находящийся в них кислород до температуры T=230 К. Определить установившееся в сосудах давление p.
4. Вычислить плотность аргона, находящегося в баллоне под давлением р=2,5 МПа при температуре T=300 К.
5. Определить относительную молекулярную массу Mr газа, если при температуре T=154 К и давлении p =2,8 МПа он имеет плотность =6,1 кг/м3.
6. В сосуде объемом V=50 л находится кислород. Температура кислорода Т=350 К. Когда часть кислорода израсходовали, давление в баллоне понизилось на =150 кПа. Определить массу m израсходованного кислорода, если температура газа в баллоне осталась прежней.
7.
Количество вещества
водорода равно 2,5 моль. Определить
внутреннюю энергию U
водорода, а также среднюю кинетическую
энергию <W>
молекулы этого газа при температуре T
=320 К.
8.
Один баллон объемом
=15
л содержит кислород под давлением
=l,9
МПа, другой баллон –
=30
л содержит азот под давлением
=0,9
МПа. Оба баллона были соединены между
собой и оба газа смешались, образовав
однородную смесь (без изменения
температуры). Найти парциальные давления
и
обоих
газов в смеси и полное давление p
смеси.
9.
Смесь водорода и азота общей массой
m=310 г при температуре T=500 К и давлении
p=1,46
МПа занимает объем V
=35 л. Определить массу
водорода и массу
азота.
10. В баллоне объемом V=22,4 л находится водород при нормальных условиях. После того как в баллон было дополнительно введено некоторое количество гелия, давление в баллоне возросло до p=0,25 МПа, а температура не изменилась. Определить массу m гелия, введенного в баллон.
11.
Смесь состоит из водорода с массовой
долей
=2/9
и кислорода с массовой долей
=7/9.
Найти плотность
такой смеси газов при температуре
T=350 К и давлении p=0,25
МПа.
12.
Смесь кислорода и азота находится в
сосуде под давлением p=1,2
МПа. Определить парциальные давления
и
газов, если массовая доля
кислорода в смеси равна 20 %.
13. В сосуде объемом V=15 л при температуре T=350 К находится смесь азота массой =7 г и водорода массой =3 г. Определить давление p смеси.
14. Смесь азота с массовой долей =87,5% и водорода с массовой долей =12,5% находится в сосуде объемом V=20 л при температуре T = 560 К. Определить давление p смеси, если масса m смеси равна 8 г.
15. Определить суммарную кинетическую энергию Eк поступательного движения всех молекул газа, находящегося в сосуде объемом V=10 л под давлением p=250 кПа.
16. Количество вещества водорода =l,5 моль, температура T= 273 К. Определить суммарную кинетическую энергию Eк поступательного движения всех молекул этого газа.
17. Определить среднюю кинетическую энергию <W> одной молекулы водяного пара при температуре T=650 К.
18.
Определить среднюю квадратичную скорость
молекулы газа, заключенного в сосуде
объемом V=10
л под давлением p
= 250 кПа. Масса газа m=0,23 г.
19.
Водород находится при температуре T=325
К. Найти среднюю кинетическую энергию
вращательного движения одной молекулы,
а также суммарную кинетическую энергию
Eк
всех молекул этого газа, если количество
вещества водорода
=1,5
моль.
20.
При какой температуре средняя кинетическая
энергия
поступательного
движения молекулы газа равна 4,14
Дж?
21.
В азоте взвешены мельчайшие пылинки,
которые движутся так, как если бы они
были очень крупными молекулами. Масса
m
каждой пылинки равна 4∙10
г.
Газ находится при температуре T=300
К. Определить средние квадратичные
скорости Vкв
,
а также средние кинетические энергии
поступательного движения
молекулы
азота и пылинки.
22. Определить показатель адиабаты у идеального газа, который при температуре T=350 К и давлении p=0,4 МПа занимает объем V=300 л и имеет теплоемкость CV =857 Дж/К.
23.
Определить относительную молекулярную
массу Mr
и молярную массу
газа, если разность его удельных
теплоемкостей
кДж/(кг∙К).
24.
В сосуде объемом V=25
л находится при нормальных условиях
двухатомный газ. Определить теплоемкость
этого газа при постоянном объеме.
25.
Определить молярные теплоемкости газа,
если его удельные теплоемкости
=10,4
кДж/(кг∙К) и
=14,6
кДж/(кг∙К).
26.
Найти удельные
и
и молярные
и
теплоемкости водорода и аргона.
27. Вычислить удельные теплоемкости газа, зная, что его молярная масса =4∙10-3 кг/мoль и отношение теплоемкостей / =1,67.
28.
Трехатомный газ под давлением p=240
кПа и температуре t=25 0С
занимает объем V=15
л. Определить теплоемкость
этого газа при постоянном давлении.
29. Одноатомный газ при нормальных условиях занимает объем V=15 л. Вычислить теплоемкость этого газа при постоянном объеме.
30. Определить удельные теплоемкости и водорода, в котором половина молекул распалась на атомы.
31. В сосуде находится смесь двух газов – водорода массой =5 г и азота массой =3 г. Определить удельные теплоемкости и такой смеси.
32.
Смесь двух газов состоит из аргона
массой
=5
г и кислорода массой
=2
г. Найти отношение теплоемкостей
этой смеси.
33. Найти молярные теплоемкости и смеси кислорода массой =3,5 г и азота массой =1,8 г.
34.
Относительная молекулярная масса газа
=30,
показатель адиабаты
=1,40.
Вычислить удельные теплоемкости
и
этого газа.
35. Какая часть молекул двухатомного газа распалась на атомы, если показатель адиабаты образовавшейся смеси равен 1,5?
36. Найти среднее число столкновений <Z> в единицу времени и длину свободного пробега <L> молекулы гелия, если газ находится под давлением p=2,5 кПа при температуре T =270 К.
37. Водород находится под давлением p=20 кПа и имеет температуру Т =300 К. Определить среднюю длину свободного пробега <L> молекулы такого газа.
38. При нормальных условиях длина свободного пробега <L> молекулы водорода равна 0,112 пм. Определить эффективный диаметр d молекулы водорода.
39.
Какова средняя арифметическая скорость
<
>
молекул кислорода при нормальных
условиях, если известно, что средняя
длина свободного пробега <L>
молекулы при этих условиях равна 100 нм.
40. Кислород находится под давлением p=233 кПа при температуре T=250 К. Вычислить среднее число столкновений <Z> в единицу времени молекулы кислорода при этих условиях.
41.
Кислород массой m=200 г занимает объем
=100
л и находится под давлением
==200 кПа. При нагревании газ расширился
при постоянном давлении до объема
=300
л, а затем его давление возросло до
=500
кПа при неизменном объеме. Найти изменение
внутренней энергии
газа, совершенную им работу А и теплоту
Q,
переданную газу. Построить график
процесса.
42. Объем водорода при изотермическом расширении увеличился в n=3 раза. Определить работу А, совершенную газом, и теплоту Q, полученную им при этом. Масса m водорода равна 200 г.
43.
Кислород массой m=60
г, имевший температуру T=300 К, адиабатически
расширился, увеличив объем в
=3
раза. Затем при изотермическом сжатии
объем газа уменьшился в
=2
раза. Определить полную работу A,
совершенную газом, и конечную температуру
Т газа.
44. Аргон массой m =0,2 кг был изобарически нагрет от температуры T1=250 К до температуры T2=400 К. Определить работу A, совершенную газом, полученную им теплоту Q и изменение внутренней энергии азота.
45. Кислород массой m =340 г, имевший температуру =270 К, был адиабатически сжат. При этом была совершена работа A=25 кДж. Определить конечную температуру Т газа.
46. Во сколько раз увеличится объем водорода, содержащий количество вещества =0,4 моль при изотермическом расширении, если при этом газ получит теплоту Q=800 Дж? Температура водорода Т =300 К.
47. В баллоне при температуре = 145 К и давлении =2МПa находится кислород. Определить температуру и давление кислорода после того, как из баллона будет очень быстро выпущена половина газа.
48.
Определить работу
изотермического сжатия газа, совершающего
цикл Карно, КПД которого
=0,4
, если работа изотермического расширения
равна
=8
Дж.
49.
Газ, совершающий цикл Карно, отдал
охладителю теплоту
=14
кДж. Определить температуру
нагревателя, если при температуре
охладителя
=280
К работа цикла A=6 кДж.
50.
Газ, являясь рабочим веществом в цикле
Карно, получил от нагревателя теплоту
=4,38
кДж и совершил работу A=2,4 кДж. Определить
температуру нагревателя, если температура
охладителя
=273
К.
51. Газ, совершающий цикл Карно, отдал охладителю 67 % теплоты, полученной от нагревателя. Определить температуру охладителя, если температура нагревателя =430 К.
52.
Во сколько раз увеличится коэффициент
полезного действия
цикла Карно при повышении температуры
нагревателя от
=380 К до
=560
К? Температура охладителя
=280
К.
53. Идеальная тепловая машина работает по циклу Карно. Температура нагревателя равна 500 К, температура охладителя =250 К. Определить термический КПД цикла, а также работу , совершенную рабочим веществом при изотермическом расширении, если при изотермическом сжатии совершена работа =70 Дж.
54. Газ, совершающий цикл Карно, получает теплоту =84 кДж. Какую работу А совершает газ, если температура нагревателя в три раза выше температуры охладителя?
55. Совершая цикл Карно, газ получил от нагревателя теплоту =500 Дж и совершил работу А =100 Дж. Температура нагревателя = 400 К. Определить температуру охладителя.
56. Какую работу А надо совершить при выдувании мыльного пузыря, чтобы увеличить его объем от =8 см3 до =16 см3? Считать процесс изотермическим.
57.
Какая энергия Е выделится при слиянии
двух капель ртути диаметром
=0,8
мм и
=1,2
мм в одну каплю?
58. Пространство между двумя стеклянными параллельными пластинками с площадью поверхности S=100 см2 каждая, расположенными на расстоянии L=20 мкм друг от друга, заполнено водой. Определить силу F, прижимающую пластинки друг к другу. Считать мениск вогнутым с диаметром d, равным расстоянию между пластинками.
59.
Глицерин поднялся в капиллярной трубке
диаметром канала d
= 1 мм на высоту h=20 мм. Определить
коэффициент поверхностного натяжения
глицерина. Считать смачивание полным.
60.
Ụ-образный сосуд состоит из сообщающихся
широкой и узкой трубок. При наливании
в сосуд воды между ее уровнями в узкой
и широкой трубках устанавливается
разность h
= 8,0 см. Внутренний радиус широкой трубки
= 5,00 мм. Считая смачивание полным, найти
радиус узкой трубки
.
Таблица вариантов
вариант |
№ задачи |
||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
1 |
2 |
11 |
22 |
30 |
42 |
2 |
3 |
13 |
25 |
32 |
44 |
3 |
4 |
15 |
28 |
34 |
46 |
4 |
5 |
17 |
21 |
36 |
48 |
5 |
1 |
19 |
24 |
38 |
50 |
6 |
6 |
12 |
27 |
40 |
52 |
7 |
10 |
14 |
30 |
31 |
55 |
8 |
9 |
16 |
23 |
33 |
53 |
9 |
8 |
18 |
26 |
35 |
58 |
10 |
7 |
20 |
29 |
37 |
43 |
