Вопрос задан 06.02.2025 в 12:34. Предмет Физика. Спрашивает Самсонова Виктория.

Углекислый газ массой 20г нагрет от температуры Т1=290К до температуры Т2=300К при постоянном давлении. Определите работу, которую совершил газ при расширении и изменение его внутренней энергии.

Перейти к ответам

Ответы на вопрос

Отвечает Смирнов Евгений.

Для решения задачи воспользуемся основными законами термодинамики. Нам нужно определить работу, совершенную газом, и изменение его внутренней энергии.

Данные задачи:

  • Масса углекислого газа m=20г=0.02кгm = 20 \, \text{г} = 0.02 \, \text{кг}
  • Начальная температура T1=290КT_1 = 290 \, \text{К}
  • Конечная температура T2=300КT_2 = 300 \, \text{К}
  • Процесс происходит при постоянном давлении, то есть изотермическое расширение (или почти изотермическое, так как температура немного меняется).
  • Углекислый газ можно рассматривать как идеальный газ.

1. Определим количество вещества углекислого газа.

Для этого используем формулу:

n=mMn = \frac{m}{M}

где:

  • mm — масса газа,
  • MM — молекулярная масса углекислого газа (CO₂), которая равна 44 г/моль.
n=0.02кг0.044кг/моль=0.4545мольn = \frac{0.02 \, \text{кг}}{0.044 \, \text{кг/моль}} = 0.4545 \, \text{моль}

2. Работа, совершённая газом, при расширении.

Работу идеального газа при изобарном процессе (постоянном давлении) можно вычислить по формуле:

A=pΔVA = p \Delta V

где:

  • AA — работа,
  • pp — давление,
  • ΔV\Delta V — изменение объема.

Для того, чтобы вычислить работу, нам нужно найти изменение объема. Мы воспользуемся уравнением состояния идеального газа:

pV=nRTpV = nRT

где:

  • pp — давление газа,
  • VV — объем,
  • nn — количество вещества,
  • RR — универсальная газовая постоянная R=8.314Дж/(моль\cdotpК)R = 8.314 \, \text{Дж/(моль·К)},
  • TT — температура.

При постоянном давлении изменение объема можно записать как:

ΔV=V2V1=nRp(T2T1)\Delta V = V_2 - V_1 = \frac{nR}{p} (T_2 - T_1)

Подставляем в формулу для работы:

A=pΔV=pnRp(T2T1)A = p \Delta V = p \cdot \frac{nR}{p} (T_2 - T_1)

После сокращения давления pp остаётся:

A=nR(T2T1)A = nR (T_2 - T_1)

Теперь подставим известные значения:

A=0.4545моль8.314Дж/(моль\cdotpК)(300290)КA = 0.4545 \, \text{моль} \cdot 8.314 \, \text{Дж/(моль·К)} \cdot (300 - 290) \, \text{К} A=0.45458.31410A = 0.4545 \cdot 8.314 \cdot 10 A=37.8ДжA = 37.8 \, \text{Дж}

Таким образом, работа, совершённая газом, равна 37.8 Дж.

3. Изменение внутренней энергии.

Для идеального газа изменение внутренней энергии зависит только от изменения температуры. Формула для изменения внутренней энергии для одноатомных и двухатомных газов:

ΔU=nCV(T2T1)\Delta U = n C_V (T_2 - T_1)

где CVC_V — молярная теплоемкость при постоянном объеме.

Для углекислого газа (CO₂) CVC_V можно принять равным 3R/23R/2, так как это двухатомный газ:

CV=32R=328.314=12.471Дж/(моль\cdotpК)C_V = \frac{3}{2} R = \frac{3}{2} \cdot 8.314 = 12.471 \, \text{Дж/(моль·К)}

Теперь вычислим изменение внутренней энергии:

ΔU=nCV(T2T1)\Delta U = n \cdot C_V \cdot (T_2 - T_1) ΔU=0.4545моль12.471Дж/(моль\cdotpК)(300290)К\Delta U = 0.4545 \, \text{моль} \cdot 12.471 \, \text{Дж/(моль·К)} \cdot (300 - 290) \, \text{К} ΔU=0.454512.47110\Delta U = 0.4545 \cdot 12.471 \cdot 10 ΔU=56.7Дж\Delta U = 56.7 \, \text{Дж}

Таким образом, изменение внутренней энергии газа составляет 56.7 Дж.

Ответ:

  • Работа, совершённая газом, при расширении составляет 37.8 Дж.
  • Изменение внутренней энергии газа составляет 56.7 Дж.

Похожие вопросы

Топ вопросов за вчера в категории Физика

Последние заданные вопросы в категории Физика

Задать вопрос