Задание 8. МКТ, термодинамика. ЕГЭ 2027 по физике
Средний процент выполнения: 74%
Ответом к заданию 8 по физике может быть целое число или конечная десятичная дробь.
Алгоритм решения задания 8:
- Определи, какой тепловой процесс или термодинамическая система рассматривается в задании.
- Выдели физические величины, характеризующие тепловой процесс: количество теплоты, работу, внутреннюю энергию.
- Установи, какие из этих величин заданы, а какие подлежат определению или анализу.
- Соотнеси описанный процесс с первым законом термодинамики или с принципами работы тепловых машин.
- Запиши применимые соотношения или законы в общем виде с использованием физических величин.
- Примени записанные законы для анализа процесса или выполнения требуемых вычислений.
- Проверь, что полученный результат согласуется с физическим смыслом термодинамических величин и процессов.
Подпишись на суперполезные материалы
Задачи для практики
Задача 1
При температуре 19◦С влажность воздуха составляла 70 %. При какой температуре выпадет роса? Таблица плотности насыщенных паров воды приведена ниже.
| t, ◦C | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 |
| ρ, г/м3 | 9,4 | 10,0 | 10,7 | 11,4 | 12,1 | 12,8 | 13,6 | 14,5 | 15,4 | 16,6 |
Ответ выразите в (◦ C).
Решение
Дано:
$t_1=19°C$
$p_0=16.6г/м^3$
$ϕ=70%$
$t_2-?$
Решение:
Согласно показаниям психрометра, температура воздуха 19°C, а относительная влажность 70%. Плотность насыщенного водяного пара в воздухе $p_0=16.6г/м^3$ при 19°C, следовательно, плотность водяного пара в воздухе $p_0={p_0·ϕ}/{100%}={16.6·70%}/{100%}=11.62г/м^3$. Роса выпадет при температуре, при которой водяной пар с такой плотностью является насыщенным, т.е. при 13°C.
Задача 2
Рассчитайте работу газа при переходе из состояния 1 в состояние 2, если давление p0 = 105 Па, а объём V0 = 1 м3. Ответ выразите в (кДж).
Решение
Дано:
$p_0=10^5$Па
$V_0=1м^3$
$p_1=p_0$
$V_1=V_0$
$p_2=3p_0$
$V_2=5V_0$
$A_{12}-?$
Решение:
Поскольку работа газа в термодинамике численно равна площади под графиком:
Тогда имеем: $A_{12}=A_1+A_2={(3p_0-p_0)·(5V_0-V_0)}/{2}+(p_0-0)·(5V_0-V_0)={2p_0·4V_0}/{2}+p_0·4V_0=4p_0V_0+4p_0V_0=8p_0V_0$(1)
Подставим числовые значения в (1): $A_{12}=8·10^5·1=8·10^5=800$кДж.
Можно было сразу вычислить площадь трапеции, ответ получился бы точно такой же. Делайте, как вам удобнее)
Задача 3
В цилиндре под поршнем находится гелий (одноатомный газ). Газ расширился при постоянном давлении, совершив работу 3 кДж. Какое количество теплоты сообщили газу? Ответ выразите в (кДж).
Решение
Дано:
$A=3·10^3$Дж
$i=3$
$Q-?$
Решение:
Запишем I начало термодинамики для изобарного процесса (p=const): $Q=A+∆U$(1), где $A=p∆V$(2), $∆U={i}/{2}vR∆T$(3) - изменения внутренней энергии гелия. Исходя из уравнения Менделеева-Клайперона: $p∆V=vR∆T$(4), $∆U={i}/{2}p∆V={i}/{2}A$(5). Подставим (5) в (1): $Q=A+{i}/{2}A=A(1+{i}/{2})=A(1+{3}/{2})=5/2A$(6). Подставим числовые значения в (6): $Q=5/2·3·10^3=7.5кДж$
Задача 4
Аргону сообщили 30 кДж теплоты, и он изобарно расширился. При этом объём газа увеличился на 0,6 м3. Каково давление газа? Ответ выразите в (кПа).
Решение
Дано:
$p=const$
$Q=30·10^3Дж$
$∆V=0.6м^3$
$p-?$
Решение:
Запишем I начало термодинамики для изобарного процесса: $Q=A+∆U$(1), где $A=p·∆V$(2) - работа газа; $∆U={i}/{2}υR∆T$(3) - изменение внутренней энергии газа. Поскольку аргон-газ одноатомный, то число степеней свободы $i=3$.
Запишем уравнение Менделеева-Клайперона: $p·∆V=υR∆T$(4), тогда $∆U={3}/{2}p·∆V$(5)
Подставим (2) и (5) в (1): $Q=A+∆U=p·∆V+{3}/{2}p·∆V={5}/{2}p∆V$(6), откуда $p={2Q}/{5∆V}={2·30·10^3}/{5·0.6}=20·10^3=20кПа$
Задача 5
Работа газа в круговом процессе равна 900 кДж. Рассчитайте значение объёма V0, если давление p0 = 105 Па. Ответ выразите в (м3).
Решение
Дано:
$p_0=10^5$Па
$A=9·10^5$Дж
$V_0-?$
Решение:
Работа газа в термодинамике численно равна площади фигуры кругового процесса. Найдем эту площадь: $A={(p_2-p_1)·(V_3-V_1)}/{2}$(1)
Подставим: $p_2=4p_0; p_1=p_0; V_3=4V_0; V_1=V_0$
$A={(4p_0-p_0)·(4V_0-V_0)}/{2}$
$2A=3p_0·3V_0$
$2A=9p_0V_0$
$V_0={2A}/{9p_0}$(2)
Подставим числовые значения в (2): $V_0={2·9·10^5}/{9·10^5}=2м^3$
Задача 6
Определите мощность кипятильника, который за 5 минут нагревает 210 г воды от 14◦C до температуры кипения. Потерю энергии не учитывать. Ответ выразите в (Вт) и округлите до целых.
Решение
Дано:
$t=5=5·60=300$c
$m=0.21$кг
$t_1=14°C$
$t_2=100°C$
$N-?$
Решение:
Мощность по определению равна: $N={A}/{t}={Q}/{t}={cm(t_-t_1)}/{t}$(1), где $m$ - масса воды, $c$ - удельная теплоемкость воды $c=4200$Дж/кг·°C. Подставим числовые значения в (1), имеем: $N={4200·0.21·(100-14)}/{300}=252.84$Bт. После округления до целых: 253 Вт
Задача 7
Сколько керосина необходимо сжечь, чтобы 50 л воды нагреть от 20◦C до кипения? КПД нагревателя равен 35%. Удельная теплота сгорания керосина 4,3 · 107 Дж/кг. Ответ выразите в (кг), округлив до десятых.
Решение
Дано:
$V=50·10^{-3}м^3$
$ρ_в=10^3{кг}/{м^3}$
$t_1=20°C; t_2=100°C; η=0.35$
$q=4.3·10^7$Дж/кг
$c=4200$Дж/кг·К
$m-?$
Решение:
$Q_1=q·m$(1) - количество теплоты, которое выделяется при сжимании керосина, $m$ - масса керосина. $Q_2=c·m_в·(t_2-t_1)=c·ρ·V·(t_2-t_1)$(2) - количество теплоты, которое необходимо затратить, чтобы нагреть воду массой $m_в=ρ·V$(3), где $ρ$ - плотность воды, $c$ - удельная теплоемкость воды.
КПД нагревателя определяется выражением: $η={A_{полез}}/{A_{затр}}·100%={c·ρ·V·(t_2-t_1)}/{q_m}·100%$(4), откуда $m={c·ρ·V·(t_2-t_1)·100%}/{q·η}$(5). Подставим в (5): $m={4200·10^3·50·10^{-3}·(100-20)·100%}/{4.3·10^7·35%}={4.2·5·8}/{4.3·35}=1.1$кг.
Задача 8
Газ, находящийся в теплоизолированном цилиндре с подвижным поршнем, получает от нагревателя количество теплоты, равное 200 Дж. Поршень при этом, преодолевая сопротивление 800 Н, переместился на 10 см. Насколько изменилась внутренняя энергия газа? В ответе запишите на сколько (Дж).
Решение
Дано:
$Q=200$Дж
$F=800$Н
$∆x=0.1$м
$∆U-?$
Решение:
Запишем I начало термодинамики: $Q=A+∆U$(1), где $A=F·∆x$(2) - работа газа, $∆U$ - изменение внутренней энергии газа. Тогда из (1) с учетом (2) имеем: $∆U=Q-A=Q-F·∆x=200-800·0.1=200-80=120$Дж.
Задача 9
В цилиндре под поршнем находится 2 кг воздуха (молярная масса μ = 0,029 кг/моль) при 20◦С под давлением 1 МПа. Чему равна работа при изобарном нагревании воздуха до 100◦С? Ответ выразите в (кДж), округлив до десятых.
Решение
Дано:
$m=2$кг
$μ=0.029$кг/моль
$t_1=20°C$
$t_2=100°C$
$p=10^6$Па
$R=8.31$Дж/моль·К
$A-?$
Решение:
Работа в изобарном процессе определяется выражением: $A=p·∆V$(1), где $p$ - давление, $∆V$ - изменение объема.
Запишем уравнение Менделеева-Клайперона: $p∆V={m}/{μ}R∆T$(2), учитывая, что $∆T=∆t=t_2-t_1=100°C-20°C=80K$ (изменение температуры в °C и в К имеет одинаковое значение).
Подставим (2) в (1), получим: $A=p·∆V={m}/{μ}R∆T={2·8.31·80}/{0.029}=45848.275=45.8$кДж.
Задача 10
Температуры нагревателя и холодильника у идеального двигателя соответственно равны 427◦C и 27◦C . Какую работу совершает двигатель за один цикл, если он получает от нагревателя в течение цикла количество теплоты равное 7000 Дж? Ответ выразите в (кДж).
Решение
Дано:
$t_н=427°C$
$t_х=27°C$
$Q_н=7000$Дж
$A-?$
Решение:
КПД двигателя определяется выражением: $η={T_н-T_x}/{T_н}={A}/{Q_н}$(1), где $T_н=t_н+273K=427+273=700K; T_x=t_x+273=27+273=300K$, абсолютные температуры нагревателя и холодильника. Из (1) выразим работу двигателя А: $A={(T_н-T_x)·Q_н}/{T_н}={(700-300)·7000}/{700}=4000=4$кДж.
Задача 11
Какую работу совершат 6 кг воздуха, расширяясь при изобарическом нагреве от 5◦С до 150◦С? Ответ выразите в (кДж) и округлите до целых.
Решение
Дано:
$m=6$кг
$t_1=5°C$
$t_2=150°C$
$p=const$
$μ_{возд}=29·10^{-3}$кг/моль
$R=8.31$Дж/моль·К
$A-?$
Решение:
Работа воздуха определяется выражением: $A=p·∆V$(1).
Запишем уравнение Менделеева-Клайперона: $p∆V={m}/{μ}R∆T$(2), где $μ$- молярная масса воздуха, $∆T=∆t=t_1-t_2=150°C-5°C=145°C=145K$.
Подставим (2) в (1), получим: $A=p·∆V={m}/{μ}R∆T={6·8.31·145}/{29·10^{-3}}=249300=249.3=249$кДж.
Задача 12
Относительная влажность воздуха 65%, давление насыщенного пара в нём при некоторой температуре равно 3,4 кПа. Чему равно парциальное давление пара при этой же температуре? Ответ выразите в (кПа), округлив до сотых.
Решение
Дано:
$ϕ=65%$
$p_0=3.4·10^3$Па
$p-?$
Решение:
По определению относительная влажность воздуха равна: $ϕ={p}/{p_0}·100%$(1), где $p$ - парциальное давление пара. Из (1) найдем $p$: $p={ϕ·p_0}/{100%}$(2). Подставим числа: $p={65·3.4·10^3}/{100%}=2210=2.21$кПа.
Задача 13
Какую работу совершит газ, расширяясь при постоянном давлении 304 кПа от объёма 3 л до объёма 18 л? Ответ выразите в (кДж) и округлите до сотых.
Решение
Дано:
$p=304·10^3$Па
$V_1=3·10^{-3}м^3$
$V_2=18·10^{-3}м^3$
$A-?$
Решение:
Работа газа определяется выражением: $A=p·∆V=p·(V_2-V_1)=304·10^3·(18·10^{-3}-3·10^{-3})=304·10^3·15·10^{-3}=4560=4.56$кДж.
Задача 14
КПД идеального двигателя внутреннего сгорания равен 60%. Определите температуру в камере сгорания двигателя, если температура струи, выходящей из его сопла, составляет 727◦С. Ответ выразить в (K).
Решение
Дано:
$η=0.6$
$T_{вых}=727+273=1000К$
$T_н-?$
Решение:
$η={T_н-T_x}/{T_н}$ для тепловой машины определяем $T_н$.
$0.6={T_н-1000}/{T_н}; T_н={1000}/{0.4}=2500K$.
Задача 15
На pV -диаграмме представлен процесс изменения состояния идеального одноатомного газа. Масса газа не меняется. Какую работу совершает газ при переходе из состояния 1 в состояние 3? Ответ выразить в (кДж).
Решение
Дано:
$T=const$
$m=const$
$A_{1-3}-?$
Решение:
Из условия: $A_{13}=A_{12}+A_{23}$, т.к. при 2-3 $∆V=0; ∆A=p∆V$, то и работа $A_{23}=0$, тогда $A_{13}=A_{12}=p∆V=100·0.2=20$кДж.
Задача 16
На pT -диаграмме представлен процесс изменения состояния идеального одноатомного газа. Масса газа не меняется. Какую работу совершают внешние силы при переходе газа из состояния 1 в состояние 2, если газ отдаёт 35 кДж теплоты? Ответ выразите в (кДж).
Решение
Дано:
$T=const$
$m=const$
$A_{внешн. сил}-?$
$Q=-35$кДж
Решение:
Первое начало термодинамики: $Q=A_{газа}+∆U$, т.к. $T=const$, $∆U=0$. Тогда $Q=A_{газа}$
$A_{внешн. сил}=-A_{газа}=-Q=-(-35)=35$кДж.
Задача 17
Рабочее тело идеальной тепловой машины за один цикл получает от нагревателя теплоту 1000 Дж. Температура нагревателя 500 К, температура холодильника 200 К. Какую работу совершает рабочее тело за один цикл? Ответ выразите в (Дж).
Решение
Дано:
$Q_н=1000$Дж
$T_н=500$К
$T_x=200$К
Решение:
$A=Q_н-Q_x$
$η={T_н-T_x}/{T_н}={Q_н-Q_x}/{Q_н}$ по формуле из основы теплообмена.
$A={(T_н-T_x)Q_н}/{T_н}={300·1000}/{500}=600$Дж.
Задача 18
Относительная влажность водяного пара в сосуде при температуре 100◦С равна 62%. Какова плотность этого пара? Ответ округлите до сотых. Ответ выразить в (кг/м3).
Решение
Дано:
$ϕ_{отн}=62%$
$T=100°C$
$ρ_{вп}-?$
Решение:
Относительная влажность это отношение парциального давления паров воды в газе к равновесному давлению паров при данной температуре $ϕ={p}/{p_{нп}}$. При 100°C давление насыщенных паров равно атмосферному $p_{нп}=10^5$Па, тогда $ρ={p·M}/{R·T}={ϕ·p_{нп}·M}/{R·T}={0.62·10^5·0.018}/{8.31·373}=0.36{кг}/{м^3}$.
Задача 19
Двигатель внутреннего сгорания совершил работу, равную 27,6 МДж, и израсходовал при этом 3 л бензина. Вычислите КПД двигателя. Удельная теплота сгорания бензина равна 44 МДж/кг. Плотность бензина равна 700 кг/м3. Ответ округлите до целого. Ответ выразите в (%).
Решение
Дано:
$A_n=27.6$МДж
$m_б=ρ_б·v_б$
$v_б=3$л
$r=44$МДж/кг
$ρ_б=700$кг/м$^3$
$η-?$
Решение:
$η={A_п}/{A_з}$ - полезная и затраченная работа.
$A_з=Q$(сгорание бензина)$=r·m_б=r·ρ_б·v_б$.
$η={27.6·10^6}/{44·10^6·700·3·10^{-3}}·100%=30%$
Задача 20
Какое количество теплоты получает 4 моля одноатомного идеального газа в процессе, график которого изображён на рисунке? Ответ выразите в (кДж) и округлите до десятых.
Решение
Дано:
$υ=4$моль
$i=3$
$p_1=10^5$Па
$p_2=3·10^5$Па
$T_1=250K$
$T_2=750K$
$R=8.31{Дж}/{моль·К}$
$Q_{12}-?$
Решение:
Запишем I начало термодинамики: $Q_{12}=A_{12}+∆U_{12}$(1), где $A_{12}=p·∆V$, т.к. $V=const$ (процесс изохорный, то $∆V=0$ и работа газа $A_{12}=0$Дж).
$∆U_{12}={i}/{2}·υ·R∆T={i}/{2}υR(T_2-T_1)$(2) - изменение внутренней энергии газа, где $R$ - универсальная газовая постоянная.
Подставим (2) в (1) и найдем $Q_{12}: Q_{12}={i}/{2}υR(T_2-T_1)$(3)
Подставим числовые значения в (3): $Q_{12}={3}/{2}·4·8.31·(750-250)=24930Дж=24.9кДж$
Рекомендуемые курсы подготовки
- Разберешься с термодинамикой
- Научишься различать изопроцессы
- Поймешь отличие графиков процессов в разных осях
- Заберешь 5 первичных баллов на ЕГЭ
- Порешаешь задания 7-10 из ЕГЭ
на бесплатном курсе Турбо ЕГЭ
