В цилиндре с площадью сечения S = 250 см2 находится азот в количестве m = 10 г, сжатый поршнем массой М = 12,5 кг. Какую работу совершит газ при нагревании его от температуры t1 = 25 С до температуры t2 = 625 C? На какую величину изменится при этом объем газа? Атмосферное давление P = 1 атм.
от

1 Ответ

Дано:
Площадь сечения цилиндра S = 250 см²
Масса азота m = 10 г
Масса поршня M = 12,5 кг
Температура t₁ = 25 °C
Температура t₂ = 625 °C
Атмосферное давление P = 1 атм

Найти:
1. Работу, совершенную газом при нагревании.
2. Изменение объема газа.

Решение:
1. Работа, совершенная газом при нагревании, может быть вычислена с помощью следующей формулы:
   W = PΔV,
   где W - работа, P - давление, ΔV - изменение объема.

2. Чтобы найти работу, нам необходимо сначала найти изменение объема газа.
   Из уравнения состояния идеального газа PV = nRT, где P - давление, V - объем, n - количество вещества, R - универсальная газовая постоянная, T - температура в абсолютной шкале, можно выразить V:
   V = (nRT)/P.

3. Изменение объема газа может быть найдено как разность между объемами на начальной и конечной температурах:
   ΔV = V₂ - V₁.

4. Теперь мы можем выразить работу W через изменение объема:
   W = PΔV.

5. Переведем все данные в соответствующие единицы измерения:
   S = 250 см² = 0,025 м² (так как 1 м² = 10 000 см²)
   m = 10 г = 0,01 кг (так как 1 кг = 1000 г)
   M = 12,5 кг
   t₁ = 25 °C = 25 + 273 = 298 K (перевод из градусов Цельсия в абсолютную шкалу Кельвина)
   t₂ = 625 °C = 625 + 273 = 898 K
   P = 1 атм = 101325 Па (так как 1 атм = 101325 Па)

6. Найдем количество вещества n азота с использованием молярной массы Mₐз:
   n = m/Mₐз,
   где Mₐз - молярная масса азота.

7. Выразим начальный и конечный объемы V₁ и V₂:
   V₁ = (nRT₁)/P,
   V₂ = (nRT₂)/P.

8. Изменение объема газа:
   ΔV = V₂ - V₁.

9. Работа:
   W = PΔV.

10. Подставим значения и выполним вычисления:

   Mₐз (молярная масса азота) ≈ 28 г/моль
   n = m/Mₐз = 0,01 кг / 0,028 кг/моль ≈ 0,357 моль

   V₁ = (nRT₁)/P = (0,357 моль * 8,314 Дж/(моль·К) * 298 К) / 101325 Па ≈ 0,0085 м³
   V₂ = (nRT₂)/P = (0,357 моль * 8,314 Дж/(моль·К) * 898 К) / 101325 Па ≈ 0,024 м³

   ΔV = V₂ - V₁ ≈ 0,024 м³ - 0,0085 м³ ≈ 0,0155 м³

   W = PΔV = 101325 Па * 0,0155 м³ ≈ 1570 Дж

Ответ:
1. Газ совершит работу при нагревании примерно 1570 Дж.
2. Объем газа изменится на примерно 0,0155 м³.
от