Бесплатный интенсив по физике
3 огненных вебинара, домашние задания, беседа курса, личный кабинет, связь с преподавателем и
многое другое.
Курс стартует 26 марта.
Подробнее об интенсиве
Задание 9. МКТ, термодинамика. Изменение физических величин в процессах. ЕГЭ 2024 по физике
Средний процент выполнения: 64%
Ответом к заданию 9 по физике может быть целое число или конечная десятичная дробь.
Задачи для практики
Задача 1
Поршень вставили в цилиндр на наибольший объём и закрепили. Цилиндр поместили в сосуд с горячей водой. Из приведённого ниже списка выберите два правильных утверждения, характеризующих этот процесс.
- В сосуде будет происходить изохорный процесс.
- Концентрация молекул в этом процессе увеличивается.
- Концентрация молекул в этом процессе уменьшается.
- В сосуде будет происходить изобарный процесс.
- Концентрация молекул в этом процессе остаётся постоянной.
Решение
1) В сосуде будет происходить изохорный пройесс, т.к. объем сосуда меняеться не будет, поскольку его закрепили.
5) Концентрация молекул $n={N}/{V}$, где $N$ - число молекул, $V$ - объем цилиндра, т.к. $N=const$ и $V=const$, то концентрация молекул в этом процессе остается постоянной.
Задача 2
В цилиндре с некоторым газом находится легкоподвижный поршень. Цилиндр помещают в сосуд с горячей водой. Из приведённого ниже списка на основании анализа этого процесса выберите все верные утверждения.
- В сосуде будет происходить изохорный процесс.
- Концентрация молекул в этом процессе увеличивается.
- Концентрация молекул в этом процессе уменьшается.
- В сосуде будет происходить изобарный процесс.
- Концентрация молекул в этом процессе остаётся постоянной.
Решение
При помещении цилиндра в сосуд с горячей водой, температура газа в цилиндре будет увеличиваться и согласно уравнению Менделеева-Клайперона, будет увеличиваться объем цилиндра: $p·∆V={m}/{μ}R∆T$. Значит в сосуде будет происходить изобарный процесс, а концентрация молекул в цилиндре $n={N}/{V}$ уменьшится из-за увеличения объема, здесь $N$ - количество молекул газа под поршнем цилиндра.
Задача 3
Легкоподвижный поршень вставлен в цилиндр на максимальный объём. Газ начинают медленно сжимать. Из приведённого ниже списка на основании опытных данных выберите все верные утверждения.
- Масса газа увеличивается.
- Масса газа не изменяется.
- Внутренняя энергия газа увеличивается.
- Внутренняя энергия газа уменьшается.
- Внутренняя энергия газа остаётся неизменной.
Решение
2) При сжатии газа, число молекул в цилиндре остается постоянным, следовательно, масса газа не изменяется.
5) Поскольку газ сжимают медленно, его температура остается постоянной, следовательно, внутренняя энергия газа остается неизменной, т.к. внутренняя энергия есть функция температуры $U={i}/{2}υRT$, где $T$ - температура.
Задача 4
Определите относительную влажность воздуха при комнатной температуре, если парциальное давление пара при этой температуре равно 1167 Па, а давление насыщенного пара равно 2333 Па. Ответ выразите в % и округлите до целых.
Решение
Дано:
$p=1167$Па
$p_0=2333$Па
$ϕ-?$
Решение:
Относительная влажность воздуха равна: $ϕ={p}/{p_0}·100%$, где $p$ - парциальное давление пара, $p_0$ - давление насыщенного пара. Подставим числа: $ϕ={1167}/{2333}·100%=0.5·100%=50%$.
Задача 5
На рисунке изображён циклический процесс, во время которого масса газа оставалась постоянной. Выберите из приведённого ниже списка все утверждения, которые соответствуют рисунку.
- В процессе 1 → 2 к газу тепло подводится.
- В процессе 1 → 2 тепло выделяется.
- В процессе 2 → 3 к газу тепло подводится.
- В процессе 2 → 3 тепло выделяется.
- В процессе 3 → 4 к газу тепло подводится.
Решение
1) В процессе 1-2 к газу тепло подводится, т.к. $T_2 > T_1$, поскольку ${p_1V_1}/{T_1}={p_2V_2}/{T_2}⇒V_1·T_2=V_2·T_1$, т.к. $p_1=p_2=const$, а $V_2 > V_1$, то, чтобы сохранилось равенство $T_2$ должна быть больше $T_1$.
4) Процесс 2-3 изохорный, тогда ${p_2}/{T_2}={p_3}/{T_3}⇒p_2T_3=p_3T_2⇒$, т.к. $p_2 > p_3$, то $T_3 < T_2$, значит, в процессе 2-3 тепло выделяется, т.к. температура становится ниже.
Задача 6
В результате эксперимента по изучению циклического процесса, проводившегося с некоторым постоянным количеством одноатомного газа, который в условиях опыта можно было считать идеальным, получилась зависимость объёма V от температуры T. Выберите два утверждения, соответствующих результатам этого эксперимента.
- На участке 1–2 газ отдавал тепло.
- Давление газа в точке 1 равно давлению в точке 2.
- Изменение внутренней энергии газа на участке 2–3 отрицательно.
- Работа, совершённая газом за весь цикл, отрицательна.
- На участке 3–1 газ совершал положительную работу.
Решение
Решение:
Исходя из теории термодинамики и графика, давление в точке 1 и точке 2 равны, т.к. 1-2 изобара, а работа совершенная за цикл отрицательна так как $A_{31}=0; A_{23} < 0; A_{12}>0 $, а $|A_{23}| > |A_{12}|$. Тогда работа за весь цикл: $A = A_{23} + A_{12} <0$
Понять, какая из работ больше или меньше очень легко, если нарисовать данный процесс в координатах pV и просто посмотреть на площади под графиком. Там же можно сразу определить знак работы за весь цикл по направлению цикла: если по часовой стрелке, то работа положительна, если против часовой - отрицательна.
Задача 7
В результате эксперимента по изучению циклического процесса, проводившегося с некоторым постоянным количеством одноатомного газа, который в условиях опыта можно было считать идеальным, получилась зависимость объёма V от температуры T. Из приведённого ниже списка выберите два утверждения, соответствующих результатам этого эксперимента:
- На участке 1–2 газ отдавал тепло.
- Давление газа в точке 2 равно давлению в точке 3.
- На участке 3–1 газ совершал отрицательную работу.
- Изменение внутренней энергии газа на участке 3–1 положительно.
- Работа, совершённая газом за весь цикл, отрицательна.
Решение
1) 1 закон термодинамики для процесса 12: $Q_{12}=∆U_{12}+A_{12}$. Т.к. объём не меняется $A_{12}=0$, т.к. температура растёт $∆U_{12}>0$, значит и $Q_{12}>0$, т.е. газ получает тепло, а не отдаёт (1 - неверно)
2) Давление в точке 2 равно точке 3, т.к. процесс изобарный (2 - верно)
3) На участке 3–1 газ совершал положительную работу, т.к. объём увеличивался (3 - неверно)
4) Т.к. температура не меняется $∆U_{31}=0$ (4 - неверно)
5) Работа за весь цикл отрицательная, т.к. $A_{12}=0; |A_{2-3}| > |A_{3-1}|; A_{23} < 0$. Поэтому $A=A_{2-3}+A_{3-1}< 0$
Понять, какая из работ больше или меньше очень легко, если нарисовать данный процесс в координатах pV и просто посмотреть на площади под графиком. Там же можно сразу определить знак работы за весь цикл по направлению цикла в координатах pV: если по часовой стрелке, то работа положительна, если против часовой - отрицательна.
Задача 8
Относительная влажность воздуха в закрытом сосуде под поршнем составляет 65%. Какой станет относительная влажность воздуха в сосуде, если объём воздуха в нём изотермически уменьшить в 2 раза за счёт движения поршня? Ответ выразить в (%).
Решение
Дано:
$T=const$
$ϕ_{от.в.}=65%$
$V_2={V_1}/{2}$
Решение:
Из теории известно, что при $T=const$ и уменьшении объема, увеличивается давление по закону Менделеева-Клайперона $PV=υRT$. Тогда как $P∼ϕ_{от.в.}$, но более чем 100% быть не может.
Задача 9
При переходе идеального газа из состояния 1 в состояние 2 получили линейную зависимость концентрации молекул n от давления p. Масса газа в процессе остаётся постоянной. Из приведённого ниже списка выберите все правильные утверждения, характеризующих процесс 1–2.
- Средняя кинетическая энергия теплового движения молекул газа остаётся неизменной.
- Плотность газа уменьшается.
- Газ получает тепло.
- Происходит изотермическое сжатие газа.
- Среднеквадратичная скорость теплового движения молекул газа уменьшается.
Решение
$m=const$, т.к. $p$, $n$ увеличиваются пропорционально, происходит изотермическое сжатие. Средняя кинетическая энергия молекул газа зависит от температуры, значит она тоже остается неизменной. В процессе изотермического сжатия изменения внутренней энергии газа равно нулю, а совершаемая им работа A<0, поэтому Q <0, т.е. газ отдаёт тепло, а не получает.
Задача 10
Давление насыщенного водяного пара при 24◦С равно 22,4 мм рт. ст., а при 13◦С — 11,23 мм рт. ст. Определите относительную влажность воздуха при температуре 24◦С, если точка росы равна 13◦С. Ответ выразите в процентах и округлите до целых. Ответ выразите в (%).
Решение
Дано:
$p_{н.п.24°C}=22.4$мм.рт.ст.
$p_{н.п.13°C}=11.23$мм.рт.ст.
$ϕ_{24°C}-?$
Решение:
Если точка росы 13°C, значит парциальное давление данного водяного пара равно давлению насыщенного водяного пара при температуре 13°C: $p_{24°C}=p_{н.п.13°C}$. Тогда влажность воздуха при температуре 24°C: $ϕ_{24°C}={p_{24°C}}/{p_{н.п.24°C}}·100%={p_{н.п.13°C}}/{p_{н.п.24°C}}·100%={11.23}/{22.4}·100%=50%$
Задача 11
Два вещества одинаковой массы, первоначально находившиеся в твёрдом состоянии при температуре 20◦C, равномерно нагревают на плитках одинаковой мощности в сосудах с пренебрежимо малой теплоёмкостью. На рисунке представлены полученные экспериментально графики зависимости температуры от времени нагревания. Используя данные графика, выберите из приведённого ниже списка все верные утверждения.
- Температура плавления первого вещества 20◦C.
- Удельная теплота плавления второго вещества равна удельной теплоте плавления первого вещества.
- На нагревание первого и второго веществ до температуры плавления потребовалось одинаковое количество теплоты.
- Удельная теплоёмкость первого вещества в жидком состоянии больше удельной теплоёмкости второго вещества в жидком состоянии.
- В момент времени t = 9 мин оба вещества находились в жидком состоянии.
Решение
Из теории о теплообмене по графику очевидно, что удельная теплота плавления 2 и 1 вещества равны (за одно и то же время), а при $t=9$ мин оба вещества в жидких состояниях находились.
Задача 12
На рисунке приведён график зависимости температуры воды t от времени процесса τ при нормальном атмосферном давлении. На основании анализа этого графика выберите все верные утверждения.
- В процессе, соответствующем участку CD, внутренняя энергия пара уменьшается.
- Участок AB соответствует процессу нагревания воды.
- Точка D соответствует газообразному состоянию воды.
- В процессе, соответствующем участку EF, внутренняя энергия системы «вода – пар» увеличивается.
- В точке K вода находится в твёрдом состоянии (лёд).
Решение
1) Температура на участке CD растёт, значит внутренняя энергия увеличивается. 1 - неверно.
2) Так как изначально нам была дана вода (в жидком состоянии), то участок АВ соответствует нагреву воды (температура растёт). 2 - верно.
3) В процессе BC вода превратилась в пар, поэтому любая точка участков CD и DE, в том числе и точка D, соответствуют газообразному состоянию воды. 3 - верно.
4) Процесс EF - конденсация. В процессе конденсации внутренняя энергия вещества уменьшается. 4 - неверно
5) Точка K - это то же состояние, что и точка A, это жидкое состояние. 5 - неверно
Задача 13
Определите массу воды, взятой при температуре 40◦С, которую нагревают до температуры кипения и полностью испаряют. Необходимая для этих процессов энергия составляет 638 кДж. Ответ выразите в (г).
Удельная теплота парообразования воды $2.3·10^6$ Дж/кг, теплоёмкость воды 4200 Дж/(кг·°С)
Решение
Дано:
$m-?$
$T_1=40°$
$Q_{об}=638$кДж
Решение:
$c_вm∆T+r·m=Q_{об}$ - закон теплообмена.
$m={Q_{об}}/{c_в∆T+r}={638·10^3}/{4200·60+2.3·10^6}=250$г.
Задача 14
Смешали холодную и горячую воду. На рисунке приведён график зависимости температуры t◦ воды от времени τ . Теплообмен с окружающей средой пренебрежимо мал. Используя данные графика, выберите из приведённого ниже списка два верных утверждения.
- Количество теплоты, отданное горячей водой, больше количества теплоты, полученного холодной водой.
- Масса горячей воды больше массы холодной воды.
- Изменение температуры холодной воды меньше, чем изменение температуры горячей воды.
- Удельная теплоёмкость горячей воды меньше, чем холодной.
- Температура t1 соответствует состоянию теплового равновесия.
Решение
По данному графику, очевидно, что масса горячей воды больше холодной, т.к. изменение температуры равновесия меньше, чем холодной воды до равновесия. А при $t_1$ наступает тепловая равновесия.
Задача 15
Какое количество теплоты необходимо для нагревания железного бруска массой 200 г от 285 К до 305 К? Ответ выразите в (Дж). Удельная теплоемкость железа 460 Дж/(кг*К)
Решение
Дано:
$m_ж=0.2кг$
$∆T=20K$
$c_ж=460$ Дж/(кг*К)
$Q-?$
Решение:
По закону нагревания тела равно $Q=c_ж·m_x·∆T=460$Дж/(кг*К)·0.2$кг·20$К=1840Дж.
Задача 16
В результате эксперимента по изучению циклического процесса, проводившегося с некоторым постоянным количеством одноатомного газа, который в условиях опыта можно было считать идеальным, получилась зависимость давления p от объёма V , показанная на графике. Из приведённого ниже списка выберите все утверждения, соответствующих результатам этого эксперимента.
- В процессе 2–3 объём газа увеличивался, а температура уменьшалась.
- В процессе 1–2 газ не совершал работу.
- В процессе 3–1 объём газа уменьшался, а давление увеличивалось.
- В процессах 1–2 и 2–3 газ получал тепло.
- В процессах 2–3 и 3–1 газ отдавал тепло.
Решение
В процессе 12 объём не меняется, поэтому работа не совершается, внутренняя энергия увеличивается (т.е. увеличивается произведение pV), значит газ получает тепло
Процесс 23 - изобарное расширение, при этом внутренняя энергия растёт (нагревание), значит Q=A+ΔU >0, газ получает тепло
В процессе 31 давление и объём уменьшаются, значит внутренняя энергия уменьшается, а работа отрицательная. Q=A+ΔU<0, газ отдаёт тепло
Подходят только утверждения 2 и 4
Задача 17
На рисунке приведён экспериментально полученный график зависимости температуры от времени при нагревании некоторого вещества. Первоначально вещество находилось в жидком состоянии. Выберите из приведённого ниже списка два утверждения, соответствующих результатам опыта.
- Температура кипения равна 100◦C.
- Теплоёмкости в жидком и газообразном состоянии одинаковы.
- Наибольшей внутренней энергией вещество обладает в точке D.
- Наименьшей внутренней энергией вещество обладает в точке D.
- В точке D вещество находится в газообразном состоянии.
Решение
1) Температура кипения определяется по графику, она равна 80 (1-неверно)
2) Теплоёмкости в жидком и газообразном состоянии отличаются, так как наклон графиков нагревания жидкости и нагревания газа разный
3), 4) Наибольшая внутренняя энергия будет при наибольшей температуре (3 - верно, 4 - неверно)
5) Т.к. изначально вещество находилось в жидком состоянии, то АВ - это нагревание жидкости, ВС - парообразование (кипение), а СD - нагревание газа, значит в точке D вещество в газообразном состоянии (5-верно)
Задача 18
Относительная влажность воздуха в цилиндре под поршнем равна 40%. Воздух изотермически сжали, уменьшив его объём в три раза. Какова стала относительная влажность воздуха? Ответ выразите в (%).
Решение
Дано:
$ϕ_{отн}=40%$
$T=const$
$V_2 < V_1$
$V_2={V_1}/{3}$
$ϕ_{отн}-?$
Решение:
Насыщенный пар подчиняется уравнению Менделеева-Клайперона: $ϕ={n}/{n_{нп}}·100%; n_{нп}$ - не изменяется ($T=const$)
$n=0.4n_{нп}$, следовательно, уменьшение в 3 раза приведет к увеличению $n=1.2=n_{нп}$, но $n=n_{нп}$ это максимум (насыщенный пар).
Задача 19
Графики зависимости температуры двух тел A и B равной массы от времени приведены на рисунке. Первоначально они находились в жидком состоянии. Из приведённого ниже списка на основании анализа графиков выберите два верных утверждения.
- Удельная теплоёмкость тела A в жидком состоянии больше удельной теплоёмкости тела B в жидком состоянии.
- Удельная теплоёмкость тела A в жидком состоянии меньше удельной теплоёмкости тела B в жидком состоянии.
- При кристаллизации тела A выделится больше энергии, чем тела при кристаллизации B.
- При кристаллизации тела A выделится меньше энергии, чем тела при кристаллизации B.
- Температура кристаллизации тела A меньше, чем тела B.
Решение
Удельная теплоемкость тела А в жидком состоянии больше удельной теплоемкости тела В в жидком состоянии, т.к. за одинаковый промежуток времени от 0 до С температура тела А изменилась меньше, чем тела В (1- верно).
При кристаллизации тела А выделится больше энергии, чем при кристаллизации тела В, т.к. кристаллизация тела А идет больше по времени, чем кристаллизация тела В (3-верно).
Задача 20
На диаграмме pV показан процесс перехода одноатомного идеального газа из состояния 1 в состояние 3. Из приведённого ниже списка на основании анализа этого процесса выберите все верные утверждения.
- В процессе 2–3 температура газа повышается.
- В процессе 2–3 газ совершает положительную работу.
- В процессе 1–2 внутренняя энергия газа понижается.
- В процессе 2–3 газ отдаёт тепло.
- Количество теплоты, полученное газом в процессе 1–2, идёт только на совершение работы.
Решение
1) В процессе 2-3 температура повышается, поскольку ${p_2V_2}/{T_2}={p_3V_3}/{T_3}⇒p_0·4V_0·T_3=4p_0·4V_0·T_2, T_3=4T_2,$ т.е. $T_3 > T_2$ (подходит).
2) Процесс 2-3 изохорный, т.е. $∆V=0$ и работа газа $A=p·V∆=0$ (не подходит).
3) Процесс 1-2 изотермический, значит, внутренняя энергия не меняется (не подходит).
4) В процессе 2-3 газ получает тепло, т.к. $T_3 > T_2$ (не подходит).
5) $Q=A+∆U, ∆U=0$, т.к. $∆T=0$, поскольку процесс 1-2 изотермический, то $Q=A$, т.е. количество теплоты, полученное газом в процессе 1-2 идет только на совершение работы (подходит).
