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Ãëàâà 13. Îñíîâû òåðìîäèíàìèêè § 75. Ïðèìåðû ðåøåíèÿ çàäà÷ ïî òåìå «Âíóòðåííÿÿ ýíåðãèÿ. ÐàáîòàÄëÿ ðåøåíèÿ çàäà÷ íóæíî óìåòü âû÷èñëÿòü âíóòðåííþþ ýíåðãèþ è ðàáîòó, ïîëüçóÿñü ôîðìóëàìè (13.1) è (13.4). Íàäî åù¸ èìåòü â âèäó, ÷òî âåëè÷èíû A, Q, ΔU ìîãóò áûòü êàê ïîëîæèòåëüíûìè, òàê è îòðèöàòåëüíûìè. Çàäà÷à 1. Àýðîñòàò îáú¸ìîì V = 500 ì3 íàïîëíåí ãåëèåì ïîä äàâëåíèåì ð = 105 Ïà.  ðåçóëüòàòå ñîëíå÷íîãî íàãðåâà òåìïåðàòóðà ãàçà â àýðîñòàòå ïîäíÿëàñü îò t1 = 10 °Ñ äî t2 = 25 °Ñ. Íà ñêîëüêî óâåëè÷èëàñü âíóòðåííÿÿ ýíåðãèÿ ãàçà? Ð å ø å í è å. Ãåëèé ÿâëÿåòñÿ îäíîàòîìíûì ãàçîì, ïîýòîìó åãî âíóòðåííÿÿ ýíåðãèÿ îïðåäåëÿåòñÿ ôîðìóëîé (13.1). Ïðè òåìïåðàòóðå Ò1 ýòà ýíåðãèÿ ðàâíà
Ìàññà ãåëèÿ íåèçâåñòíà, íî å¸ ìîæíî âûðàçèòü ñ ïîìîùüþ óðàâíåíèÿ Ìåíäåëååâà—Êëàïåéðîíà ÷åðåç íà÷àëüíóþ òåìïåðàòóðó, äàâëåíèå è îáú¸ì ãàçà:
Çàäà÷à 2.  öèëèíäðå ïîä òÿæ¸ëûì ïîðøíåì íàõîäèòñÿ óãëåêèñëûé ãàç (Ì = 0,044 êã/ìîëü) ìàññîé m = 0,20 êã. Ãàç íàãðåâàåòñÿ íà ΔÒ = 88 Ê. Êàêóþ ðàáîòó îí ïðè ýòîì ñîâåðøàåò? Ð å ø å í è å. Ãàç ðàñøèðÿåòñÿ ïðè íåêîòîðîì ïîñòîÿííîì äàâëåíèè ð, êîòîðîå ñîçäà¸òñÿ àòìîñôåðîé è ïîðøíåì.  ýòîì ñëó÷àå ðàáîòà ãàçà À' = p(V2 - V1), ãäå V1 è V2 — íà÷àëüíûé è êîíå÷íûé îáú¸ìû ãàçà. Èñïîëüçóÿ óðàâíåíèå Ìåíäåëååâà—Êëàïåéðîíà, âûðàçèì ïðîèçâåäåíèÿ pV2 è pV1 ÷åðåç
Çàäà÷à 3. ×åìó ðàâíà ðàáîòà, ñîâåðø¸ííàÿ ãàçîì â êîëè÷åñòâå 3 ìîëü ïðè ñæàòèè, åñëè òåìïåðàòóðà óâåëè÷èëàñü íà 100 Ê? Ïîòåðè òåïëà íå ó÷èòûâàéòå. Ð å ø å í è å. Ïðè ñæàòèè âíåøíÿÿ ñèëà ñîâåðøàåò ïîëîæèòåëüíóþ ðàáîòó, çà ñ÷¸ò êîòîðîé ïðîèñõîäèò èçìåíåíèå âíóòðåííåé ýíåðãèè è ñîîòâåòñòâåííî òåìïåðàòóðû ãàçà, ò. å. À = ΔU. Èçìåíåíèå âíóòðåííåé ýíåðãèè
Ðàáîòà, ñîâåðø¸ííàÿ ñèëîé äàâëåíèÿ ãàçà:
Çàäà÷à 4. Íà ðèñóíêå 13.4 ïîêàçàíà çàâèñèìîñòü äàâëåíèÿ ãàçà îò îáú¸ìà ïðè åãî ïåðåõîäå èç ñîñòîÿíèÿ 1 â ñîñòîÿíèå 4. Îïðåäåëèòå ðàáîòó ãàçà. Ð å ø å í è å. Ðàáîòà ãàçà ÷èñëåííî ðàâíà ïëîùàäè çàøòðèõîâàííîé ôèãóðû. Ïðîöåññû 1—2 è 3—4 èçîáàðíûå, ïîýòîìó ðàáîòà ãàçà â ýòèõ ïðîöåññàõ À'1 - 2 = p1(V2 - V1), À'3-4 = p2(V4 - V3).  ïðîöåññå 2—3 èçìåíÿþòñÿ âñå òðè ïàðàìåòðà ãàçà. Ðàáîòà ãàçà â ýòîì ïðîöåññå Òàêèì îáðàçîì, ó÷òÿ, ÷òî V2 — V1 = V3 — V2 = V4 — V3 = ΔV, ïîëó÷èì
Çàäà÷è äëÿ ñàìîñòîÿòåëüíîãî ðåøåíèÿ 1. Êàê èçìåíèòñÿ âíóòðåííÿÿ ýíåðãèÿ îäíîàòîìíîãî èäåàëüíîãî ãàçà, åñëè åãî äàâëåíèå óâåëè÷èòñÿ â 3 ðàçà, à îáú¸ì óìåíüøèòñÿ â 2 ðàçà? 2. Ñòåðæåíü îòáîéíîãî ìîëîòêà ïðèâîäèòñÿ â äâèæåíèå ñæàòûì âîçäóõîì. Ìàññà âîçäóõà â öèëèíäðå çà âðåìÿ õîäà ïîðøíÿ ìåíÿåòñÿ îò 0,1 äî 0,5 ã. Ñ÷èòàÿ äàâëåíèå âîçäóõà â öèëèíäðå è òåìïåðàòóðó (27 °Ñ) ïîñòîÿííûìè, îïðåäåëèòå ðàáîòó ãàçà çà îäèí õîä ïîðøíÿ (Ìâîçä = 0,029 êã/ìîëü). 3. Ïðè èçîáàðíîì ðàñøèðåíèè îäíîàòîìíîãî ãàçà, âçÿòîãî â êîëè÷åñòâå 4 ìîëü, åãî òåìïåðàòóðà óâåëè÷èëàñü íà 100 °Ñ. Îïðåäåëèòå èçìåíåíèå âíóòðåííåé ýíåðãèè è ðàáîòó, ñîâåðø¸ííóþ ñèëîé äàâëåíèÿ ãàçà.
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