Какое количество теплоты необходимо добавить к газу, чтобы поршень опустился на расстояние h внутри цилиндра abcd

Какое количество теплоты необходимо добавить к газу, чтобы поршень опустился на расстояние h внутри цилиндра abcd, закрепленного у стенки бассейна, наполненного водой? В верхней части цилиндра kbcm находится 1 моль гелия, отделенный от воды поршнем (bk = 2h). Гелий нагревают, пропуская ток по спирали. Трения, теплопроводности и массы поршня нет. Ширина бассейна большая, а плотность воды равна ρ, а площадь сечения цилиндра ak больше h.
Petrovna

Petrovna

Для решения этой задачи, мы можем использовать первый закон термодинамики, который утверждает, что изменение внутренней энергии газа равно сумме работы, выполненной над газом и теплоты, переданной газу.

Масса и объем гелия не меняются, поэтому мы можем воспользоваться уравнением состояния идеального газа: PV = nRT, где P - давление газа, V - объем газа, n - количество вещества газа, R - универсальная газовая постоянная, T - температура газа.

Начнем с работы. Поршень опускается на расстояние h, поэтому работа, выполненная над газом, равна силе, умноженной на перемещение. Сила, действующая на поршень, обусловлена разностью давлений газа и воды. Обозначим это давление разностью P. Тогда работа W, выполненная над газом, равна P умножить на площадь вне поверхности поршня Sa, умножить на перемещение h: \(W = P \cdot S_a \cdot h\).

Теперь рассмотрим теплоту Q. Поскольку газ в положении равновесия, изменение его потенциальной энергии равно нулю, и, следовательно, изменение его внутренней энергии равно работе, выполненной над ним: \(Q = W = P \cdot S_a \cdot h\).

Теперь нам нужно выразить P через известные величины. По условию задачи, в верхней части цилиндра находится 1 моль гелия, а площадь сечения цилиндра Sa больше площади сечения поршня (площади внутренней поверхности), поэтому примем Sa за St, площадь снаружи поверхности поршня, и тогда P равно разности давлений газа на верхней и нижней поверхностях поршня: \(P = P_1 - P_2 = \rho \cdot g \cdot h\), где \(P_1\) - давление на верхней поверхности поршня, \(P_2\) - давление на нижней поверхности поршня, \(\rho\) - плотность воды, g - ускорение свободного падения.

Теперь мы можем подставить выражение для P в формулу для Q и выразить Q через известные величины:

\[Q = P \cdot S_a \cdot h = (\rho \cdot g \cdot h) \cdot S_t \cdot h\]

Итак, количество теплоты, которое необходимо добавить к газу, чтобы поршень опустился на расстояние h внутри цилиндра abcd, закрепленного у стенки бассейна, наполненного водой, равно \(\rho \cdot g \cdot h \cdot S_t \cdot h\).
Знаешь ответ?
Задать вопрос
Привет!
hello