Кинематика поршня

Герметично закрытый с обоих концов теплоизолированный цилиндр расположен горизонтально. Внутри цилиндра находится непроводящий тепло легкий вертикальный поршень площадью , делящий цилиндр на два отсека. Поршень может перемещаться внутри цилиндра без трения. Отсеки заполнены идеальным одноатомным газом при давлении . В первый отсек помещён нагреватель, по которому может поступать тепло, во втором отсеке размещён теплообменник, с помощью которого тепло отводится из отсека. Модули мощностей подвода и отвода тепла равны и соответственно. Нагреватель и теплообменник приводят в действие одновременно.

В пунктах и считайте, что первоначальные объёмы отсеков равны.

1. Определите скорость перемещения поршня в начальный момент времени, сразу после включения нагревателя и теплообменника.

2. Определите скорость перемещения поршня в момент времени, когда поршень делит объём цилиндра в отношении , если модули мощностей и одинаковы и равны .

3. Пусть в начальный момент времени поршень делит объём цилиндра в отношении , а во втором (меньшем) отсеке вместо теплообменника установлен нагреватель мощности . Определите отношение , при котором поршень останется неподвижным.

Все процессы считать равновесными.

Войдите, чтобы проверять ответы
Ответ

1. По условию поршень легкий и перемещается в сосуде без трения. Следовательно, в любой момент времени давление газа по обе стороны от поршня одинаково. Для объёмов отсеков и справедливо равенство , где – начальный объём отсека. Рассмотрим процесс, происходящий с газом за малый промежуток времени , и запишем первое начало термодинамики для каждого отсека:

Запишем для каждого отсека уравнение Менделеева–Клапейрона и выразим изменение температуры:

Отсюда получим, что

Сложим и вычтем друг из друга записанные выше уравнения:

Тогда для начального момента получим . Отсюда, учитывая, что , найдём начальную скорость поршня :

2. Если , то задача упрощается, и из первого уравнения в находим, что . Из второго уравнения в получим . Это означает, что скорость движения поршня постоянна и равна .

3. Если отношение объёмов , то , . Поскольку поршень в этом пункте задачи неподвижен, объём обоих отсеков со временем не меняется. Перепишем уравнения , изменив знак у и учитывая, что в каждом отсеке происходит изохорный процесс :

Из полученных уравнений следует, что

1

Формула . Записано первое начало термодинамики для отсека с нагревателем.

0.5
2

Верное выражение для подведённой теплоты: .

0.5
3

Верное выражение для изменения внутренней энергии: или .

0.5
4

Верное выражение для работы газа: .

0.5
5

Записано верное соотношение между величинами из трёх предыдущих пунктов.

0.5
6

Записано первое начало термодинамики для отсека с теплообменником. Верное выражение для подведённой теплоты: .

0.5
7

Верное выражение для изменения внутренней энергии: или .

0.5
8

Верное выражение для работы газа: .

0.5
9

Записано верное соотношение между величинами из трёх предыдущих пунктов.

0.5
10

Записано уравнение состояния для газа в отсеке с нагревателем в дифференциальной форме.

0.5
11

Записано уравнение состояния для газа в отсеке с теплообменником в дифференциальной форме.

0.5
12

Найдена скорость изменения объёма одного из отсеков (знаки перед и могут быть перепутаны). Данный пункт оценивается только при правильно записанных выражениях в предыдущих пунктах и корректно сделанных преобразованиях.

0.5
13

Найден ответ на первый вопрос: (знаки перед и могут быть перепутаны). При правильно полученном выражении баллы за предыдущий пункт ставятся автоматически; если нет явного указания на значение числа степеней свободы , то балл за данный пункт не ставится.

0.5
14

В предыдущем пункте не перепутаны знаки перед и . Данный пункт оценивается только при правильно записанных выражениях в предыдущих пунктах и корректно сделанных преобразованиях.

0.5
15

Указано, что при давление газа постоянно.

0.5
16

Обосновано, что при давление газа постоянно.

1
17

Найден ответ на второй вопрос: . Данный пункт оценивается только, если за пункт 2.2 стоит ненулевой балл.

1.5
18

Записано условие неподвижности поршня (в первом начале термодинамики учтена изохорность процесса).

1
19

Получен ответ: ; за ответ в виде , или , или ставится 0,8 балла; если ответ не получен или неверный — 0 баллов.

1
Максимум: 12

Похожие задачи

Горячо–холодно

На рисунке приведён фрагмент графика зависимости от времени τ средней мощности Nср, равной отношению суммарного количества теплоты, переданного слитку серебра массой m = 50 г, ко времени его теплообмена с внешними телами. Через некоторое время после начала теплообмена температура слитка в

Рамка и провод

Жёсткая прямоугольная рамка, изготовленная из тонкой проволоки, может двигаться по гладкой горизонтальной поверхности, на которой закреплён тонкий бесконечно длинный прямолинейный провод. На рисунке показан вид сверху на данную систему. Рамка и провод Изначально силы токов в проводе и в рамке равны

Холодильник

В тонкостенном цилиндрическом сосуде внутреннего радиуса R под поршнем находится столб воды высотой h1 при температуре t0=0circC. Поршень и дно цилиндра теплоизолированные. Мощность тепловых потерь через боковые стенки пропорциональна площади контакта и разности темп

Две окружности

В толстой плите из непроводящего твёрдого материала перпендикулярно поверхности просверлено отверстие маленького диаметра, глубина которого меньше толщины плиты. К «дну» отверстия прикреплён один конец резинки с коэффициентом жёсткости k. Длина недеформированной резинки в точности равна глубине отве