Question

Массу m=44 г углекислого газа, занимающего объем V1=0.04 при температуре Т1=300К изотермически сжимают до объема V2=0.02, затем изобарически расширяют до первоначального объема и изохорически охлаждают до исходного состояния. Определить работу газа, изменения внутренней энергии и количество теплоты в каждом процессе и за весь цикл

Answer 1

Для решения данной задачи, нам необходимо использовать уравнение состояния идеального газа, а также основные соотношения термодинамики.

1. Работа газа в каждом процессе:
а) Изотермическое сжатие:
В данном процессе газ сжимается от объема V1 до объема V2 при постоянной температуре T1.
Работа газа можно найти по формуле:
W = nRT ln(V1/V2),
где n - количество вещества (в молях), R - универсальная газовая постоянная, T - температура в Кельвинах, ln - натуральный логарифм.

Для начала, найдем количество вещества газа n:
n = m/M,
где m - масса газа в граммах, M - молярная масса газа.

Для углекислого газа, молярная масса M = 44 г/моль.

Теперь, найдем работу газа:
W = (m/M)RT ln(V1/V2).

Подставим известные значения:
W = (44/44) * 8.31 * 300 * ln(0.04/0.02).

Вычисляем:
W = 8.31 * 300 * ln(2) ≈ 4980 Дж.

б) Изобарическое расширение:
В данном процессе газ расширяется от объема V2 до объема V1 при постоянном давлении P.
Работу газа можно найти по формуле:
W = P(V1 - V2).

В данной задаче давление P не указано, поэтому его нужно определить. Из уравнения состояния идеального газа PV = nRT можно выразить давление:
P = nRT/V,
где P - давление, V - объем газа, n - количество вещества, R - универсальная газовая постоянная, T - температура в Кельвинах.

Подставим известные значения:
P = (44/44) * 8.31 * 300 / 0.04 ≈ 6.23 * 10^5 Па.

Теперь, найдем работу газа:
W = (6.23 * 10^5)(0.04 - 0.02) ≈ 12460 Дж.

в) Изохорическое охлаждение:
В данном процессе газ охлаждается до исходной температуры Т1 при постоянном объеме V1.
Работа газа в изохорическом процессе равна нулю, так как объем не меняется.

2. Изменение внутренней энергии:

Изменение внутренней энергии можно найти по первому началу термодинамики:
ΔU = Q - W,
где ΔU - изменение внутренней энергии, Q - количество теплоты, W - работа газа.

a) Изотермическое сжатие:
ΔU1 = Q1 - W1.
Так как процесс изотермический, то ΔU1 = 0. Поэтому:
0 = Q1 - 4980.
Отсюда находим количество теплоты Q1:
Q1 = 4980 Дж.

б) Изобарическое расширение:
ΔU2 = Q2 - W2.
Так как процесс изобарический, то ΔU2 = Q2 - W2. Поэтому:
ΔU2 = Q2 - 12460.
Отсюда находим количество теплоты Q2:
Q2 = 12460 Дж.

в) Изохорическое охлаждение:
ΔU3 = Q3 - W3.
Так как процесс изохорический, то ΔU3 = Q3 - 0. Поэтому:
ΔU3 = Q3.
Отсюда находим количество теплоты Q3:
Q3 = ΔU3.

3. Количество теплоты за весь цикл:
Общее изменение внутренней энергии для всего цикла равно нулю, так как система возвращается в исходное состояние. Поэтому:
ΔUцикл = 0.
и Qцикл = - Wцикл.

Тогда:
Qцикл = Q1 + Q2 + Q3 = 4980 + 12460 + ΔU3.

Изменение внутренней энергии в третьем процессе зависит только от количества теплоты Q3, поэтому:
ΔU3 = Q3 = - (Q1 + Q2).

Таким образом:
Qцикл = 4980 + 12460 - (Q1 + Q2).

Рассчитаем значения:
Qцикл = 4980 + 12460 - (4980 + 12460) = 0 Дж.

Таким образом, работа газа равна 4980 Дж, изменение внутренней энергии равно 0 Дж, и количество теплоты за весь цикл также равно 0 Дж.