Сжатие, расширение
В вертикальном цилиндре, закрытом поршнем, находится некоторое количество идеального газа, молярная теплоёмкость которого при постоянном объёме в условиях этой задачи равна . Конструктивные особенности цилиндра таковы, что поршень может удерживаться неподвижно специальными защёлками в двух положениях и , при этом в положении объём газа под поршнем на больше, чем в положении .
Сначала поршень находится в положении , температура газа в цилиндре равна температуре окружающей среды. Поршень быстро (так что теплообмен с окружающей средой не успевает произойти) сдвигают в положение , в котором поршень фиксируется защёлками. После этого в течение некоторого времени происходит выравнивание температур газа и окружающей среды, а по окончании этого процесса поршень также быстро, как при сжатии газа, возвращается в положение , в котором он опять фиксируется защёлками, после чего некоторое время происходит теплообмен с окружающей средой и выравнивание температур. В итоге газ под поршнем возвращается в исходное состояние: его температура и объём становятся такие же, как в начале процесса.
Эта последовательность (иначе говоря, цикл) процессов, которые предлагается считать квазистатическими, повторяется многократно. Температуру окружающей среды можно считать почти постоянной в течение одного цикла.
А) Охладится или нагреется воздух, окружающий цилиндр, после многократного повторения описанного цикла?
Б) Для одного цикла определите отношение абсолютной величины работы, совершённой газом, к количеству теплоты, которое газ отдаёт окружающей среде на участке охлаждения.
Указание. Для малых изменений параметров идеального газа из уравнения состояния следует формула:
где — количество вещества, а — универсальная газовая постоянная.
Ответ. А) Воздух, окружающий цилиндр, нагреется; Б) .
Оценивать решения предлагается на основе распределения баллов, данного в условии, с учётом следующих дополнительных соображений.
Оценка за верный ответ на вопрос части А не снижается, даже если данное участником объяснение короткое или его вообще нет.
Оценка за часть А снижается и составляет балл, если при наличии верного ответа приведённое участником объяснение противоречивое или содержит взаимоисключающие утверждения.
Если из рассуждений участника следует, что он считает систему (цилиндр + окружающий воздух) замкнутой, при этом внешние силы, совершающие работу по перемещению поршня, считаются внутренними для этой системы и на основании закона сохранения энергии делается вывод о неизменности температуры, то такой ответ на вопрос части А даёт оценку балла.
Указывается, что работа газа за цикл численно равна площади, ограничиваемой графиком цикла на -диаграмме.
Предлагается рассчитать работу как площадь параллелограмма, получена формула или аналогичная, либо работа вычислена иначе.
Получена формула или аналогичная для отданного газом количества теплоты на участке изохорного нагревания.
Получен верный ответ на вопрос части Б, попадающий в диапазон .