Номер 3, страница 311 - гдз по физике 10 класс учебник Грачев, Погожев

Авторы: Грачев А. В., Погожев В. А., Салецкий А. М., Боков П. Ю.
Тип: Учебник
Серия: алгоритм успеха
Издательство: Просвещение
Год издания: 2011 - 2025
Уровень обучения: базовый и углублённый
Цвет обложки: бирюзовый изображена солнечная система со всеми планетами
ISBN: 978-5-09-091742-1
Популярные ГДЗ в 10 классе
Упражнения. Параграф 55. Принцип действия тепловых машин. Глава 8. Тепловые машины. Второй закон термодинамики. Молекулярная физика и термодинамика - номер 3, страница 311.
№3 (с. 311)
Условие. №3 (с. 311)
скриншот условия

*3. Запишите первый закон термодинамики для каждого из процессов, совершаемых рабочим веществом теплового двигателя из упражнения 2.
Считая, что известны $p_0, V_0, S, h$ и $M$, определите:
а) количества теплоты, полученные рабочим веществом на каждом из участков: $Q_{12}, Q_{23}, Q_{34}, Q_{41};$
а) количества теплоты, полученные рабочим веществом на каждом из участков:
б) количества теплоты $Q_{\text{Н}}$ и $Q_{\text{х}}$.
Проверьте формулу $A = Q_{\text{Н}} - Q_{\text{х}} < Q_{\text{Н}}$ и рассчитайте КПД.
Решение. №3 (с. 311)
Дано:
$p_0, V_0, S, h, M$
Найти:
а) $Q_{12}, Q_{23}, Q_{34}, Q_{41}$
б) $Q_н, Q_х, \eta$; проверить формулу $A = Q_н - Q_х < Q_н$
Решение:
Поскольку условие задачи отсылает к упражнению 2, которое не представлено, будем считать, что рабочий цикл теплового двигателя представляет собой прямоугольный цикл на p-V диаграмме, совершаемый по часовой стрелке. Рабочим веществом является идеальный газ с числом степеней свободы $i$.
Пусть параметры состояний цикла будут следующими:
- Состояние 1: давление $p_1 = p_0$, объем $V_1 = V_0$.
- Состояние 2: давление $p_2 = p_0 + \frac{Mg}{S}$, объем $V_2 = V_0$. Здесь $g$ – ускорение свободного падения.
- Состояние 3: давление $p_3 = p_0 + \frac{Mg}{S}$, объем $V_3 = V_0 + Sh$.
- Состояние 4: давление $p_4 = p_0$, объем $V_4 = V_0 + Sh$.
Первый закон термодинамики в общем виде: $Q = \Delta U + A'$, где $Q$ – количество теплоты, переданное газу, $\Delta U$ – изменение его внутренней энергии, $A'$ – работа, совершённая газом.
Для идеального газа $\Delta U = \frac{i}{2}\nu R \Delta T = \frac{i}{2}\Delta(pV)$.
а) количества теплоты, полученные рабочим веществом на каждом из участков: $Q_{12}, Q_{23}, Q_{34}, Q_{41}$
Участок 1-2 (изохорное нагревание):
Процесс изохорный, $V_1 = V_2 = V_0$, следовательно, работа газа $A'_{12} = 0$.
Изменение внутренней энергии: $\Delta U_{12} = \frac{i}{2}(p_2 V_2 - p_1 V_1) = \frac{i}{2}V_0(p_2 - p_1) = \frac{i}{2}V_0(p_0 + \frac{Mg}{S} - p_0) = \frac{i}{2}V_0\frac{Mg}{S}$.
Согласно первому закону термодинамики: $Q_{12} = \Delta U_{12} + A'_{12} = \frac{i}{2}V_0\frac{Mg}{S}$. Так как $Q_{12} > 0$, газ получает тепло.
Участок 2-3 (изобарное расширение):
Процесс изобарный, $p_2 = p_3 = p_0 + \frac{Mg}{S}$.
Работа, совершаемая газом: $A'_{23} = p_2(V_3 - V_2) = (p_0 + \frac{Mg}{S})(V_0 + Sh - V_0) = (p_0 + \frac{Mg}{S})Sh$.
Изменение внутренней энергии: $\Delta U_{23} = \frac{i}{2}p_2(V_3 - V_2) = \frac{i}{2}(p_0 + \frac{Mg}{S})Sh$.
Согласно первому закону термодинамики: $Q_{23} = \Delta U_{23} + A'_{23} = \frac{i}{2}(p_0 + \frac{Mg}{S})Sh + (p_0 + \frac{Mg}{S})Sh = (\frac{i}{2}+1)(p_0 + \frac{Mg}{S})Sh$. Так как $Q_{23} > 0$, газ получает тепло.
Участок 3-4 (изохорное охлаждение):
Процесс изохорный, $V_3 = V_4 = V_0 + Sh$, следовательно, работа газа $A'_{34} = 0$.
Изменение внутренней энергии: $\Delta U_{34} = \frac{i}{2}V_3(p_4 - p_3) = \frac{i}{2}(V_0+Sh)(p_0 - (p_0 + \frac{Mg}{S})) = -\frac{i}{2}(V_0+Sh)\frac{Mg}{S}$.
Согласно первому закону термодинамики: $Q_{34} = \Delta U_{34} + A'_{34} = -\frac{i}{2}(V_0+Sh)\frac{Mg}{S}$. Так как $Q_{34} < 0$, газ отдает тепло.
Участок 4-1 (изобарное сжатие):
Процесс изобарный, $p_4 = p_1 = p_0$.
Работа, совершаемая газом: $A'_{41} = p_1(V_1 - V_4) = p_0(V_0 - (V_0 + Sh)) = -p_0Sh$.
Изменение внутренней энергии: $\Delta U_{41} = \frac{i}{2}p_1(V_1 - V_4) = -\frac{i}{2}p_0Sh$.
Согласно первому закону термодинамики: $Q_{41} = \Delta U_{41} + A'_{41} = -\frac{i}{2}p_0Sh - p_0Sh = -(\frac{i}{2}+1)p_0Sh$. Так как $Q_{41} < 0$, газ отдает тепло.
Ответ: $Q_{12} = \frac{i}{2}V_0\frac{Mg}{S}$; $Q_{23} = (\frac{i}{2}+1)(p_0 + \frac{Mg}{S})Sh$; $Q_{34} = -\frac{i}{2}(V_0+Sh)\frac{Mg}{S}$; $Q_{41} = -(\frac{i}{2}+1)p_0Sh$.
б) количества теплоты $Q_н$ и $Q_х$. Проверьте формулу $A = Q_н - Q_х < Q_н$ и рассчитайте КПД.
Количество теплоты, полученное от нагревателя ($Q_н$), равно сумме положительных количеств теплоты:
$Q_н = Q_{12} + Q_{23} = \frac{i}{2}V_0\frac{Mg}{S} + (\frac{i}{2}+1)(p_0 + \frac{Mg}{S})Sh$.
Количество теплоты, отданное холодильнику ($Q_х$), равно сумме модулей отрицательных количеств теплоты:
$Q_х = |Q_{34}| + |Q_{41}| = \frac{i}{2}(V_0+Sh)\frac{Mg}{S} + (\frac{i}{2}+1)p_0Sh$.
Проверим формулу $A = Q_н - Q_х$.
Работа за цикл $A$ равна площади прямоугольника на p-V диаграмме:
$A = \Delta p \cdot \Delta V = (p_2 - p_1)(V_3 - V_2) = (p_0 + \frac{Mg}{S} - p_0)(V_0 + Sh - V_0) = \frac{Mg}{S} \cdot Sh = Mgh$.
Теперь найдем разность $Q_н - Q_х$:
$Q_н - Q_х = \left[ \frac{i}{2}V_0\frac{Mg}{S} + (\frac{i}{2}+1)(p_0 + \frac{Mg}{S})Sh \right] - \left[ \frac{i}{2}(V_0+Sh)\frac{Mg}{S} + (\frac{i}{2}+1)p_0Sh \right]$
$Q_н - Q_х = \frac{i}{2}V_0\frac{Mg}{S} + (\frac{i}{2}+1)p_0Sh + (\frac{i}{2}+1)\frac{MgSh}{S} - \frac{i}{2}V_0\frac{Mg}{S} - \frac{i}{2}Sh\frac{Mg}{S} - (\frac{i}{2}+1)p_0Sh$
$Q_н - Q_х = (\frac{i}{2}+1)\frac{MgSh}{S} - \frac{i}{2}\frac{MgSh}{S} = ( \frac{i}{2}+1 - \frac{i}{2} ) \frac{MgSh}{S} = \frac{MgSh}{S} = Mgh$.
Таким образом, $A = Q_н - Q_х = Mgh$, что и требовалось проверить.
Так как $Q_н$ является суммой нескольких положительных слагаемых, одно из которых равно $(\frac{i}{2}+1)\frac{MgSh}{S} = (\frac{i}{2}+1)Mgh$, а работа $A=Mgh$, и $(\frac{i}{2}+1) > 1$, то очевидно, что $Q_н > A$. Следовательно, соотношение $A < Q_н$ также выполняется.
Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя равен:
$\eta = \frac{A}{Q_н} = \frac{Mgh}{\frac{i}{2}V_0\frac{Mg}{S} + (\frac{i}{2}+1)(p_0 + \frac{Mg}{S})Sh}$.
Ответ: $Q_н = \frac{i}{2}V_0\frac{Mg}{S} + (\frac{i}{2}+1)(p_0 + \frac{Mg}{S})Sh$; $Q_х = \frac{i}{2}(V_0+Sh)\frac{Mg}{S} + (\frac{i}{2}+1)p_0Sh$; Проверка $A = Q_н - Q_х$ показала, что обе величины равны $Mgh$. Формула верна. КПД: $\eta = \frac{Mgh}{\frac{i}{2}V_0\frac{Mg}{S} + (\frac{i}{2}+1)(p_0 + \frac{Mg}{S})Sh}$.
Другие задания:
Помогло решение? Оставьте отзыв в комментариях ниже.
Присоединяйтесь к Телеграм-группе @top_gdz
ПрисоединитьсяМы подготовили для вас ответ c подробным объяснением домашего задания по физике за 10 класс, для упражнения номер 3 расположенного на странице 311 к учебнику серии алгоритм успеха 2011 года издания для учащихся школ и гимназий.
Теперь на нашем сайте ГДЗ.ТОП вы всегда легко и бесплатно найдёте условие с правильным ответом на вопрос «Как решить ДЗ» и «Как сделать» задание по физике к упражнению №3 (с. 311), авторов: Грачев (Александр Васильевич), Погожев (Владимир Александрович), Салецкий (Александр Михайлович), Боков (Павел Юрьевич), ФГОС (старый) базовый и углублённый уровень обучения учебного пособия издательства Просвещение.