В вертикально расположенном цилиндрическом сосуде с площадью основания S под поршнем массы M находится 1 моль идеального одноатомного газа. В начальном состоянии поршень находится на высоте 2h от дна сосуда. Газ медленно охлаждают до тех пор, пока поршень не опустится до высоты h, а затем медленно нагревают до достижения поршнем исходной высоты. Определите среднюю теплоемкость газа в процессе нагревания, если между поршнем и стенками сосуда действует сила сухого трения скольжения F. Атмосферное давление p0.
от

1 Ответ

Дано:  
- количество газа n = 1 моль  
- масса поршня M  
- начальная высота поршня h1 = 2h  
- конечная высота поршня h2 = h  
- атмосферное давление p0  
- площадь основания сосуда S  
- сила трения F  

Найти:  
- среднюю теплоемкость газа Cср в процессе нагревания.

Решение:
1. Работа, совершаемая газом при опускании поршня с высоты 2h до h, равна изменению потенциальной энергии поршня:
   A = M * g * (h1 - h2) = M * g * (2h - h) = M * g * h
   Здесь g - ускорение свободного падения.

2. Давление газа в сосуде можно выразить через уравнение состояния идеального газа:
   P = nRT / V

   Поскольку объем V = S * h, то при высоте h, имеем:
   P = (1 * R * T) / (S * h)

3. На давление также оказывает влияние сила трения, которая действует на поршень:
   P' = P + F / S

4. В процессе охлаждения и затем нагревания поршень возвращается в исходное положение, следовательно, работа, совершаемая над газом в процессе нагрева, противодействует как внутренним изменениям энергии газа, так и работе против силы трения:
   W_нагрев = A + F * Δx, где Δx = h (разница высот).

   Получаем:
   W_нагрев = M * g * h + F * h.

5. Изменение внутренней энергии газа при нагревании связано с количеством теплоты Q, переданным газу:
   Q = n * C * ΔT, где C - молярная теплоемкость газа, ΔT - изменение температуры газа.

6. Согласно первому закону термодинамики:
   Q = ΔU + W.

   Для идеального одноатомного газа:
   ΔU = (3/2)nRΔT.

7. Подставляя все выражения, получаем:
   n * C * ΔT = (3/2)nRΔT + M * g * h + F * h.

8. Упрощаем уравнение и решаем его относительно средней теплоемкости C:
   C = (3/2)R + (M * g + F) / n.

9. Так как n = 1 моль, итоговая формула для средней теплоемкости будет:
   C = (3/2)R + M * g + F.

Ответ:  
Средняя теплоемкость газа в процессе нагревания равна C = (3/2)R + M * g + F.
от