Молекулярна фізика і термодинаміка – Молекулярна фізика і термодинаміка

ТЕМА: Молекулярна фізика і термодинаміка. Основи термодинаміки. Коефіцієнт корисної дії теплового двигуна та його максимальне значення.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння формул для визначення коефіцієнта корисної дії теплового двигуна.

Коефіцієнт корисної дії \(\mathbf{\eta}\) теплового двигуна (теплової машини) можна визначити за формулою \begin{gather*} \mathbf{\eta}=\frac{T_\text{н}-T_\text{х}}{T_\text{н}}\cdot 100\ \text{%}, \end{gather*} де \(T_\text{н}\) - температура нагрівника; \(T_\text{х}\) ‒ температура холодильника.

За умовою нагрівником є резервуар із водою, яка кипить. Температура кипіння дорівнює \(100\ ^\circ\mathrm{C},\) тобто $$ T_\text{н}=100\ ^\circ\mathrm{C}=373\ \text{К}. $$

Холодильником є ємність із льодом, який тане. Температура танення льоду \(0\ ^\circ\mathrm{C},\) тобто \begin{gather*} T_\text{х}=0\ ^\circ\mathrm{C}=273\ \text{К}. \end{gather*}

З іншого боку коефіцієнт корисної дії теплової машини дорівнює відношенню корисної роботи \(A,\) виконуваної машиною, до кількості теплоти \(Q_\text{н},\) одержуваної від нагрівника: \begin{gather*} \mathbf{\eta}=\frac{A}{Q_\text{н}}\cdot 100\ \text{%}. \end{gather*}

Частина теплоти \(Q_\text{н}\) від нагрівника піде на виконання корисної роботи \(A,\) а залишок буде переданий холодильнику \(Q_\text{х},\) унаслідок чого розтане лід: $$ Q_\text{н}=A+Q_\text{х}. $$

Прирівняймо ці два вирази для визначення коефіцієнта корисної дії:

Порція теплоти, яка буде передана холодильнику, може розплавити лід масою \(m_\text{л}:\) $$ Q_\text{х}=\mathbf{\lambda}m_\text{л}, $$ де \(\mathbf{\lambda}\) ‒ питома теплота плавлення льоду.

Тобто \begin{gather*} \frac{T_\text{н}-T_\text{х}}{T_\text{н}}=\frac{A}{A+\mathbf{\lambda}m_\text{л}}. \end{gather*}

Підставимо числові значення величин з умови завдання і визначимо масу льоду:

Відповідь: 910.

ТЕМА: Молекулярна фізика і термодинаміка. Основи термодинаміки. Кількість теплоти. Коефіцієнт корисної дії нагрівника.

Завдання скеровано на перевірку розуміння того, що є корисною, а що – повною кількістю теплоти, уміння застосовувати формули для обчислення кількості теплоти під час нагрівання речовини і коефіцієнта корисної дії нагрівника.

1. Кількість теплоти \(Q,\) яка поглинається під час нагрівання речовини (або виділяється внаслідок її охолодження), обчислюють за формулою $$ Q=cm(t_2-t_1), $$ де \(c\) ‒ питома теплоємність речовини; \(m\) ‒ маса речовини; \(t_2\) і \(t_1\) ‒ кінцева і початкова температури.

Обчислимо кількість теплоти, необхідної для нагрівання порції води до кипіння відповідно до умови завдання:

Відповідь: 672.

2. Коефіцієнт корисної дії \(\mathbf{\eta}\) нагрівника ‒ це фізична величина, яка характеризує ефективність нагрівника й дорівнює відношенню корисно спожитої теплоти \(Q_\text{кор}\) до всієї теплоти \(Q_\text{повна},\) яка може бути виділена під час повного згоряння палива (або це може бути кількість теплоти, яка виділяється в провіднику зі струмом): $$ \mathbf{\eta}=\frac{Q_\text{кор}}{Q_\text{повна}}\cdot 100\ \text{%}. $$

Відповідно до умови завдання корисно спожита кількість теплоти ‒ це та кількість теплоти, яку поглинула вода під час нагрівання її до кипіння: $$ Q_\text{кор}=Q=672\ \text{кДж}. $$

Під час проходження струму в електричному чайнику протягом \(10\ \text{хв}\) виділиться повна кількість теплоти, частина якої піде безпосередньо на нагрівання води до кипіння ‒ \(Q_\text{кор},\) а частина буде витрачена на нагрівання самого чайника і навколишнього середовища: $$ Q_\text{повна}=Pt, $$ де \(P\) ‒ потужність нагрівника (чайника), \(t\) ‒ час нагрівання.

Обчислімо коефіцієнт корисної дії чайника:

Відповідь: 1. 672. 2. 56.

ТЕМА: Молекулярна фізика і термодинаміка. Властивості газів, рідин і твердих тіл.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння процесів, що відбуваються з парою і рідиною, застосування цих процесів у приладах.

1) Пару, яка перебуває зі своєю рідиною в стані динамічної рівноваги (тобто кількість молекул, які повертаються в рідину, дорівнює кількості молекул, які за той самий час залишають рідину), називають насиченою.

Перенасиченою є пара, тиск якої перевищує тиск насиченої пари за певної температури. Перенасичена пара утворюється внаслідок збільшення тиску пари в об’ємі, вільному від центрів конденсації (пилинок, йонів, краплинок рідини малих розмірів тощо). Інший спосіб отримання ‒ охолодження насиченої пари за тих же умов. Саме цей спосіб використовують у камері Вільсона.

Камера Вільсона ‒ це трековий детектор. Камеру заповнено парою спирту або медичного ефіру. Коли поршень різко опускають, то внаслідок адіабатного розширення пара охолоджується і стає перенасиченою. Коли в перенасичену пару потрапляє заряджена частинка, на своєму шляху вона йонізує молекули пари. Йони, що утворилися, стають центрами конденсації. Ланцюжок крапель cконденсованої пари, який утворюється вздовж траєкторії руху частинки (трек частинки), знімають на камеру або фотографують: 1 ‒ Г.

2) Властивість рідини розширюватися під час нагрівання використовують у медичному термометрі: 2 ‒ Д. Причина теплового розширення полягає в тому, що зі збільшенням температури збільшується швидкість руху частинок речовини (атомів, молекул, йонів), унаслідок чого збільшується середня відстань між частинками. Медичний термометр складається зі скляного резервуара, наповненого ртуттю, який переходить у капіляр, скляної шкали з поділками та скляної захисної трубки. Ртуть ‒ це єдиний метал, який за кімнатної температури є рідиною. Об’єм рідини є мірою температури: що вища температура тіла, то більшим є об’єм рідини й вищим стовпчик рідини в термометрі.

3) Якщо з рідини видалити розчинене повітря (наприклад, багатократним кип’ятінням) і можливі центри пароутворення (пилинки, йони тощо), то можна нагріти рідину до температури, дещо вищої від температури кипіння. Такий стан називають перегрітою рідиною. Стан перегрітої рідини також можна одержати й унаслідок зниження зовнішнього тиску до рівня, нижчого за тиск насиченої пари рідини за цієї температури.

Саме цей процес лежить в основі роботи бульбашкової камери. Вона також є трековим детектором, як і камера Вільсона. І принцип роботи бульбашкової камери подібний до принципу роботи камери Вільсона. А відмінність полягає в тому, що робочим тілом у бульбашковій камері є перегріта рідина: йони, які виникають уздовж траєкторії руху частинки, стають центрами кипіння ‒ утворюється ланцюжок бульбашок: 3 ‒ А.

4) У рідині завжди є молекули, які рухаються досить швидко, а тому випаровування рідин відбувається за будь-якої температури. Оскільки під час випаровування рідину залишають найшвидші молекули, то середня кінетична енергія решти молекул зменшується. Тому, якщо рідина не отримує енергії ззовні, вона охолоджується.

Саме цей принцип використовують у психрометрах (гігрометрах психрометричних ‒ приладах для прямого вимірювання вологості повітря), а ще той факт, що швидкість випаровування рідини то вища, що нижча відносна вологість повітря: 4 ‒ В.

Манометр ‒ це прилад для вимірювання тиску рідин і газів. Рідинним манометром вимірюють різницю рівнів рідини в колінах U-подібної трубки. Тобто визначають, на скільки тиск газу в груші, закріпленій на одному з отворів трубки, відрізняється від атмосферного. Є також металеві деформаційні манометри.

Відповідь: 1Г, 2Д, 3А, 4В.

ТЕМА: Молекулярна фізика і термодинаміка. Основи термодинаміки. Кількість теплоти.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння поняття кількості теплоти, а також вміння здобувати інформацію з графіків.

Кількість теплоти, яка поглинається внаслідок нагрівання речовини (або виділяється внаслідок її охолодження), обчислюють за формулою $$ Q=cm\Delta T=cm\Delta t, $$ де \(c\) ‒ питома теплоємність речовини; \(m\) ‒ маса речовини; \(\Delta T=\Delta t=T-T_0=t-t_0\) ‒ зміна температури за шкалами Кельвіна і Цельсія відповідно (зміна температури за шкалою Кельвіна дорівнює зміні температури за шкалою Цельсія \(\Delta T=\Delta t,\) тобто ціна поділки шкали Кельвіна дорівнює ціні поділки шкали Цельсія: \(1\ ^\circ\mathrm{C}=1\ \mathrm{K}).\)

Скористаймося графіками з умови завдання, щоб визначити відношення мас двох порцій води.

Загальна формула для визначення маси така: $$ m=\frac{Q}{c\Delta t}. $$

Питома теплоємність води однакова в обох її порціях. Зручно взяти також однакову кількість теплоти ‒ \(8\ \text{кДж},\) отриману обома порціями води. А різниця температур буде різна.

Графік 1: зважаючи на те, що одиничний відрізок по вертикальній осі температур становить \(10\ ^\circ\mathrm{C},\) визначимо, що початкова температура $$ t_{01}=10\ ^\circ\mathrm{C}. $$

Після отримання теплоти \(8\ \text{кДж}\) кінцева температура $$ t_1=40\ ^\circ\mathrm{C}. $$

Тоді різниця температур $$ \Delta t_1=30\ ^\circ\mathrm{C}. $$

Графік 2: початкова температура $$ t_{02}=10\ ^\circ\mathrm{C}. $$

Після отримання теплоти \(8\ \text{кДж}\) кінцева температура $$ t_2=20\ ^\circ\mathrm{C}. $$

Тоді різниця температур $$ \Delta t_2=10\ ^\circ\mathrm{C}. $$

Запишімо формули для визначення мас й обчислімо відношення їх:

Отже, маса порції води \(m_2\) більша за масу порції води \(m_1\) утричі.

Відповідь: B.

ТЕМА: Молекулярна фізика і термодинаміка. Властивості газів, рідин і твердих тіл. Відносна вологість повітря та її вимірювання.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння поняття відносної вологості й уміння користуватися показами гігрометра й психрометричною таблицею.

Відносна вологість ‒ це фізична величина, яка показує, наскільки водяна пара близька до насичення.

Для прямого вимірювання вологості найчастіше використовують гігрометр психрометричний ‒ психрометр (його фрагмент зображено в умові завдання ліворуч від психрометричної таблиці). Дія цього приладу базується на двох фактах:

1) швидкість випаровування рідини то вища, що нижча відносна вологість повітря;

2) рідина під час випаровування охолоджується.

Складниками психрометра є два термометри ‒ сухий, яким вимірюють температуру довкілля, і вологий ‒ його колбу обгорнуто тканиною, кінчик якої опущено в посудину з водою (див. рисунок).

Вода з тканини випаровується, тому вологий термометр показує нижчу температуру, ніж сухий. Що нижча відносна вологість повітря, то швидше випаровується рідина й більша різниця показів сухого і вологого термометрів. Відносну вологість визначають за допомогою психрометричної таблиці (фрагмент такої таблиці подано в умові завдання).

Сухий термометр з умови (ліворуч) показує вищу температуру \((17\ ^\circ\mathrm{C}),\) а вологий (праворуч) – нижчу \((14\ ^\circ\mathrm{C}).\)

Сухий термометр не може показувати меншу температуру, ніж вологий, це нереальна ситуація. Він може показувати таку саму температуру, як і вологий, у ситуації, коли відносна вологість дорівнює \(100\ \text{%}\) (див. психрометричну таблицю), за дощової погоди, наприклад.

Отже, різниця температур сухого і вологого термометрів $$ \Delta t=(17-14)\ ^\circ\mathrm{C}=3\ ^\circ\mathrm{C}. $$

У психрометричній таблиці (верхній рядок) знаходимо різницю показів сухого і вологого термометрів \((3\ ^\circ\mathrm{C}).\) А в стовпчику «Покази сухого термометра» – числове значення температури \((17\ ^\circ\mathrm{C}).\) На перетині цих рядка та стовпчика наведено числове значення відносної вологості \(\mathbf{\varphi}:\) $$ \mathbf{\varphi}=72\ \text{%}. $$

Відповідь: B.

ТЕМА: Молекулярна фізика і термодинаміка. Основи молекулярно-кінетичної теорії. Стала Авогадро.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння кількості речовини й числа Авогадро.

У будь-якій речовині кількістю один моль міститься та сама кількість \((6,02\cdot 10^{23})\) її структурних частинок – атомів, йонів або молекул. Кількість речовини не залежить від її густини. Цю кількість частинок називають сталою Авогадро: $$ N_A\approx 6,02\cdot 10^{23}\ \text{моль}^{-1}. $$

За умовою завдання кількість речовини обох металів однакова – \(1\ \text{моль},\) тож і кількість атомів в металі кількістю речовини \(1\ \text{моль}\) та сама: $$ N_1=N_2. $$

Відповідь: Б.

ТЕМА: Молекулярна фізика і термодинаміка. Основи термодинаміки. Внутрішня енергія та способи її зміни.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння, що таке внутрішня енергія газу і які параметри впливають на її зміну.

Запишемо формулу для визначення внутрішньої енергії \(U\) для одноатомного ідеального газу: $$ U=\frac 32\mathbf{\nu}Rt, $$ де \(\mathbf{\nu}\) ‒ кількість речовини, \(R\) ‒ універсальна газова стала, \(T\) ‒ абсолютна температура газу.

Зміна внутрішньої енергії дорівнюватиме: \begin{gather*} \Delta U=U_2-U_1=\frac 32\mathbf{\nu}RT_2-\frac 32\mathbf{\nu}RT_1. \end{gather*}

Використавши рівняння Менделєєва ‒ Клапейрона, матимемо: $$ \mathbf{\nu}RT=pV, $$ де \(p\) ‒ тиск газу, \(V\) ‒ об’єм газу.

Тоді за незмінного об’єму \((V_1=V_2=V)\) матимемо: \begin{gather*} \mathbf{\nu}RT_1=p_1V,\\[7pt] \mathbf{\nu}RT_2=p_2V. \end{gather*}

Підставмо ці вирази у формули для визначення зміни внутрішньої енергії:

Отже, зміна внутрішньої енергії дорівнюватиме добутку зміни тиску і об’єму.

Обчислімо шукану величину:

Відповідь: \(4\mathord{,}5.\)

ТЕМА: Молекулярна фізика і термодинаміка. Властивості газів, рідин і твердих тіл. Відносна вологість повітря та її вимірювання.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння поняття вологості повітря.

Людина найкомфортніше почувається, коли температура повітря перебуває в межах від \(18\) до \(22\ ^\circ\mathrm{C},\) а рівень вологості ‒ від \(40\) до \(60\ \text{%}.\)

За високих температур краще, щоб була низька вологість, тобто щоб уміст водяної пари в повітрі був невеликий, тоді волога з поверхні людини випаровуватиметься інтенсивніше ‒ молекули води забиратимуть енергію, а тому температура тіла людини знижуватиметься, тіло охолоджуватиметься, тож людина легше переноситиме спеку.

Відповідь: A.

ТЕМА: Молекулярна фізика і термодинаміка. Кількість теплоти. Питома теплоємність речовини.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння фізичного змісту питомої теплоємності речовини.

Питома теплоємність речовини \(c\) ‒ це фізична величина, що характеризує речовину й чисельно дорівнює кількості теплоти, яку необхідно передати речовині масою \(1\ \text{кг},\) щоб нагріти її на \(1\ ^\circ\mathrm{C}:\) $$ c=\frac{Q}{m\Delta t}. $$

За умовою маси тіл однакові. Узявши до уваги, що за той самий час тілам передавали однакову кількість теплоти, робимо висновок, що питома теплоємність обернено залежатиме лише від різниці температур (скористаємося графіком, проміжок часу візьмемо від \(0\) до \(2\mathord{,}5\) год):

Отже, запишімо співвідношення між питомими теплоємностями цих трьох тіл: $$ c_2\lt c_3\lt c_1. $$

Відповідь: Г.

ТЕМА: Молекулярна фізика і термодинаміка. Основи молекулярно-кінетичної теорії. Середня квадратична швидкість теплового руху молекул.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння зв’язку фізичних величин, що характеризують рух молекул ‒ середня квадратична швидкість руху молекул, середній квадрат швидкості, середня кінетична енергія поступального руху молекул ідеального газу.

Квадратний корінь із середнього квадрата швидкості називають середньою квадратичною швидкістю руху молекул \((\overrightarrow{v}_\text{кв}):\) $$ \overrightarrow{v}_\text{кв}=\sqrt{\overline{v^2}}. $$

(Середній квадрат швидкості \((\overline{v^2}):\) $$ \overline{v^2}=\frac{v_1^2+v_2^2+\text{...}+v_N^2}{N}, $$ де \(N\) ‒ кількість молекул; \(v_1, v_2, \text{...} v_N\) ‒ швидкості руху окремих молекул.)

Середній квадрат швидкості \(\overline{v^2}\) можна визначити з формули для середньої кінетичної енергії \(\overline{E}_\text{к}\) поступального руху молекул ідеального газу (кінетична енергія поступального руху, що в середньому припадає на одну молекулу масою \(m_0\)): $$ \overline{E}_\text{к}=\frac{m_0\overline{v^2}}{2}. $$

Залежність середньої кінетичної енергії поступального руху молекул ідеального газу від абсолютної температури \(T\) визначмо за формулою: $$ \overline{E}_\text{к}=\frac 32kT, $$ де \(k\) ‒ стала Больцмана.

Прирівняймо обидва вирази для визначення середньої кінетичної енергії поступального руху молекул ідеального газу: $$ \frac{m_0\overline{v^2}}{2}=\frac 32kT, $$ звідки $$ \overline{v^2}=\frac{3kT}{m_0}. $$

Отже, коли склянку заповнили снігом (див. рисунок 1), то температура становила \(t_1=-23\ ^\circ\mathrm{C}\) (абсолютна температура дорівнюватиме \(T_1=t_1+273=-23+273=250\ \text{K}\): $$ \overline{v}_\text{кв1}=\sqrt{\overline{v_1^2}}=\sqrt{\frac{3kT_1}{m_0}}. $$

Коли сніг у склянці розтанув, а вода нагрілася (див. рисунок 2), то температура \(t_2=87\ ^\circ\mathrm{C}\) (абсолютна температура дорівнюватиме \(T_2=t_2+273=87+273=360\ \text{K}\): $$ \overline{v}_\text{кв2}=\sqrt{\overline{v_2^2}}=\sqrt{\frac{3kT_2}{m_0}}. $$

Тепер визначимо, у скільки разів збільшилася середня квадратична швидкість руху молекул гелію в кульці:

Отже, середня квадратична швидкість руху молекул гелію в кульці збільшилася в \(1\mathord{,}2\) раза.

Відповідь: Б.

ТЕМА: Молекулярна фізика і термодинаміка. Основи молекулярно-кінетичної теорії. Ізопроцеси в газах.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння ізопроцесів, а саме ізохорного.

Ізохорний процес ‒ це процес змінювання стану даного газу деякої маси, що відбувається за незмінного об’єму \((V=\mathrm{const}).\) Ділянки графіка \(2\rightarrow 3\) і \(4\rightarrow 1\) є ізохорами.

Що більшим є об’єм газу \((V_2\gt V_1),\) то менші концентрація цього газу й тиск, який він чинить. Ділянка графіка \(2\rightarrow 3\) (див. рисунок) відповідатиме ізохорному нагріванню, тому що температура підвищується, а ділянка графіка \(4\rightarrow 1\) ‒ це ізохорне охолодження.

Ділянки графіка \(1\rightarrow 2\) і \(3\rightarrow 4\) (див. рисунок) є ізобарами. Що більшим є тиск газу, за якого відбувається ізобарний процес \((p_2\gt p_1),\) то менший об’єм займає газ й то нижче розташована ізобара.

Відповідь: Б.

ТЕМА: Молекулярна фізика і термодинаміка. Основи молекулярно-кінетичної теорії. Стала Авогадро.

У будь-якій речовині кількістю \(1\ \text{моль}\) міститься однакова кількість атомів або молекул, ‒ стільки, скільки атомів Карбону міститься у вуглеці масою \(12\ \text{г}.\) Це стала Авогадро \(N_\mathrm{А},\) її одиниця – \(\text{моль}^{-1}.\)

Фізичну величину, яка дорівнює частці від ділення кількості структурних частинок речовини \(N\) до числа Авогадро, називають кількістю речовини \(\mathbf{\nu}:\) $$ \mathbf{\nu}=\frac{N(X)}{N_\mathrm{A}}, $$ де \(N(X)\) ‒ кількість структурних частинок речовини \(X.\)

Отже, щоб визначити кількість молекул \(N\) газу \(X\) у балоні, треба помножити одну порцію молекул \((N_\mathrm{А})\) на кількість цих порцій \((\mathbf{\nu}):\)

Відповідь: B.

ТЕМА: Молекулярна фізика і термодинаміка. Основи молекулярно-кінетичної теорії. Дифузія.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння положень молекулярно-кінетичної теорії та явища дифузії, яке можна пояснити за цими положеннями.

Молекули, атоми, йони, між якими є проміжки, перебувають у безперервному хаотичному русі. Саме рухом частинок речовини можна пояснити таке явище, як дифузія.

Дифузія (від лат. diffusio ‒ поширення, розтікання) ‒ процес самовільного взаємного проникнення частинок однієї речовини у проміжки між частинками іншої (перемішування дотичних речовин), який відбувається внаслідок теплового руху цих частинок. Завдяки такому рухові речовини перемішуються без жодного зовнішнього втручання.

Пригадаймо, що молекули газів розташовані безладно й на відстанях, які в десятки разів більші за розміри самих молекул; молекули рідини розташовані хаотично, у розташуванні найближчих молекул зберігається певний (ближній) порядок, середня відстань між молекулами приблизно дорівнює розмірам самих молекул, кожна молекула час від часу перескакує з місця на місце; частинки твердих (кристалічних) тіл розташовані в певному порядку (утворюють кристалічні ґратки) на відстанях, що приблизно дорівнюють розмірам самих частинок, тому сили міжмолекулярної взаємодії (сили притягання між частинками) утримують їх біля положення рівноваги; на відміну від рідин, перескакування молекул у твердих тілах відбуваються дуже рідко.

Дифузія в рідині відбувається досить повільно (наприклад, сироп змішується з водою протягом доби), проте у твердих тілах дифузія повільніша в сотні й тисячі разів (дві відшліфовані та притиснуті одна до одної пластинки свинцю та золота «зростаються» на \(1\ \text{мм}\) протягом \(5\) років). У газах дифузія йде набагато швидше, ніж у рідинах, але все одно: якби не було конвекції (перенесення енергії потоками рідини або газу), запах парфумів поширювався би в кімнаті протягом годин.

Отже, як зазначено в умові, за інших однакових умов (як-от температура й тиск) найшвидше дифузія відбуватиметься в газах: у цьому завданні – між випарами ефіру й повітрям.

Відповідь: Б.

ТЕМА: Молекулярна фізика і термодинаміка. Властивості газів, рідин і твердих тіл. Конденсація. Питома теплота пароутворення.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння процесу фазового переходу з газуватого стану в рідкий, а також уміння визначати кількість теплоти під час фазового переходу й під час охолодження.

Для того щоб перетворити водяну пару на воду, треба спочатку її сконденсувати (за умовою водяна пара є за температури конденсації), а після фазового переходу пари в рідину потрібно рідину охолодити до температури \(50\ ^\circ\mathrm{C}.\)

Отже, кількість теплоти \(Q,\) яка під час цього виділиться, складатиметься з двох порцій ‒ кількість теплоти \(Q_1,\) що виділиться під час конденсації пари й кількість теплоти \(Q_2,\) що виділиться під час охолодження води: \begin{gather*} Q=Q_1+Q_2,\\[7pt] Q_1=Lm_\text{пари}. \end{gather*} де \(L\) ‒ питома теплота пароутворення (вона ж виділиться під час конденсації), \(m_\text{пари}\) ‒ маса водяної пари. $$ Q_2=cm_\text{води}(t_1-t_2), $$ де \(c\) ‒ питома теплоємність води, \(m_\text{води}\) ‒ маса води, \(t_1=100\ ^\circ\mathrm{C}\) ‒ початкова температура води, \(t_2=50\ ^\circ\mathrm{C}\) ‒ кінцева температура води.

Відповідь: 25,1.

ТЕМА: Молекулярна фізика і термодинаміка. Основи термодинаміки. Застосування першого закону термодинаміки до ізопроцесів.

Завдання скеровано на перевірку знання, розуміння і застосування першого закону термодинаміки до ізопроцесів, а саме до ізобарного.

Під час ізобарного нагрівання передана газу кількість теплоти витрачається і на виконання механічної роботи, і на збільшення внутрішньої енергії газу. Якщо газ ідеальний одноатомний (гелій ‒ це одноатомний газ без запаху, кольору та смаку), то робота \(A\) газу дорівнює $$ A=p\Delta V, $$ а зміна його внутрішньої енергії $$ \Delta U=\frac 32p\Delta V, $$ де \(p\) ‒ тиск, \(\Delta V\) ‒ зміна об’єму.

Отже, зміну внутрішньої енергії можна визначити за формулою:

Відповідь: 45.

ТЕМА: Молекулярна фізика і термодинаміка. Основи термодинаміки. Робота в термодинаміці.

Завдання скеровано на перевірку розуміння, за яких умов виконується робота в термодинаміці, від яких фізичних величин вона залежить, а також на вміння читати графіки та брати з них необхідні для розв’язування задачі числові дані.

Повна робота за цикл дорівнює сумі робіт, виконаних під час кожного процесу циклу:

Запишімо формулу для визначення роботи газу в термодинаміці: $$ A=p\Delta V=p(V_2-V_1). $$

З формули бачимо: якщо не буде зміни об’єму, то робота не буде виконана й дорівнюватиме нулю.

Проаналізуймо кожну ділянку графіка.

Ділянка графіка 1‒2: з рівняння Клапейрона

робимо висновок, що збільшуються всі три параметри газу ‒ й абсолютна температура \(T,\) і тиск \(p,\) й об’єм \(V\) (довільний процес). Відповідно до першого закону термодинаміки (\(Q=\Delta U+A\) ‒ кількість теплоти \(Q,\) передана системі, йде на зміну внутрішньої енергії системи \(\Delta U\) й на виконання системою роботи \(A\) проти зовнішніх сил) у нас недостатньо даних із графіка, щоб визначити роботу, яку виконає газ на цій ділянці.

Ділянка графіка 2‒3 – ізохорне охолодження: \(V=const,\) тиск \(p\) зменшується. Отже, відповідно до рівняння Клапейрона для ізохорного процесу, температура \(T\) теж знижуватиметься: $$ \frac pT=\mathrm{const}\Rightarrow \frac{p\downarrow}{T\downarrow}=\mathrm{const}. $$

Отже, під час цього процесу зміни об’єму не було \((\Delta V=0),\) отже, роботу газ не виконував: $$ A_{2-3}=0. $$

Ділянка графіка 3‒1 – ізобарне охолодження: \(p=const.\) Під час цього процесу об’єм \(V\) зменшується (див. рисунок). Відповідно до рівняння Клапейрона для ізобарного процесу температура \(T\) теж буде зменшуватися: $$ \frac VT=\mathrm{const}\Rightarrow \frac{V\downarrow}{T\downarrow}=\mathrm{const}. $$

У цьому процесі можна визначити роботу на ділянці 3‒1:

Значення роботи на цій ділянці від’ємне, оскільки об’єм газу зменшується.

Зважаючи на те, що на ділянці 1‒2 неможливо визначити роботу через нестачу даних, не можна визначити й повну роботу, скористаймося графічним способом розв’язання. Геометричний зміст роботи під час довільного процесу: робота газу чисельно дорівнює площі криволінійної трапеції під графіком залежності \(p(V).\)

Згідно з її геометричним змістом робота газу в процесі 1–2 чисельно дорівнює площі прямокутної трапеції (добуток є половиною суми основ трапеції і її висоти), основи якої дорівнюють \(p_1\) і \(p_2,\) а висота ‒ \((V_2-V_1 ):\) $$ A_{1-2}=\frac{p_1+p_2}{2}\cdot (V_2-V_1). $$

Об’єм газу збільшується, тому ця робота додатна.

Робота газу в процесі 2–3 дорівнює нулю, оскільки цей процес ізохорний (див. пояснення вище).

Робота газу в процесі 3–1 \((V_3=V_2)\) чисельно дорівнює площі прямокутника зі сторонами \(p_1\) і \((V_2-V_1):\) $$ A_{3-1}=p_1\cdot (V_2-V_1). $$

Об’єм газу зменшується, тому ця робота від’ємна (див. розрахунок вище).

Отже, для визначення роботи за весь цикл потрібно від площі трапеції відняти площу прямокутника. Тобто, як видно з рисунка, робота за цикл чисельно дорівнює площі прямокутного трикутника \(1–2–3\) (половина добутку катетів): $$ A=\frac 12\cdot (p_2-p_1)\cdot (V_2-V_1). $$

Необхідні значення величин знайдімо з графіка:

Відповідь: A.

ТЕМА: Молекулярна фізика і термодинаміка. Основи молекулярно-кінетичної теорії. Температура та її вимірювання.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння поняття теплової рівноваги.

Досліди показують: коли більш нагріте тіло контактує з менш нагрітим, то більш нагріте тіло завжди охолоджується, а менш нагріте ‒ нагрівається. До того ж можуть змінюватися й інші властивості тіл: вони стають більшими або меншими за розмірами, можуть перейти в інший агрегатний стан, почати краще чи гірше проводити електричний струм, можуть почати випромінювати світло іншого кольору тощо. Натомість однаково нагріті тіла, контактуючи одне з одним, не змінюють своїх властивостей, і тоді кажуть, що ці тіла перебувають у стані теплової рівноваги.

Отже, стан теплової рівноваги ‒ це такий стан макроскопічної системи, коли всі макроскопічні параметри системи залишаються незмінними як завгодно довго.

Відповідь: Б.

Тема: Молекулярна фізика і термодинаміка. Основи молекулярно-кінетичної теорії. Основне рівняння молекулярно-кінетичної теорії ідеального газу. Концентрація молекул газу.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння поняття концентрації молекул газу й уміння аналізувати різні практичні ситуації, пов’язані з концентрацією газу.

Концентрація \(n\) молекул газу ‒ це фізична величина, яка дорівнює кількості \(N\) молекул в одиниці об’єму \(V\) газу: $$ n=\frac NV. $$

Отже, якщо не змінюватимуться кількість молекул й об’єм, у якому ці молекули містяться, то концентрація залишиться тією самою. Проаналізуймо наведені ситуації.

Коли людина набирає повітря в легені, то об’єм легень збільшується, і кількість молекул повітря також збільшується. Тобто концентрація молекул у цьому разі змінюватиметься.

Об’єм пробитої шини, можливо, і не буде зменшуватися, а кількість молекул повітря, яке заповнювало шину, зменшуватиметься. Тому концентрація молекул у цій ситуації змінюватиметься.

Насиченою називають пару, яка перебуває в стані динамічної рівноваги зі своєю рідиною. Динамічна рівновага встановлюється між процесами конденсації і випаровування ‒ кількість молекул, які повертаються в рідину, дорівнюватиме кількості молекул, які за той самий час залишають рідину. Це можливо в закритій посудині, тобто об’єм пари між поверхнею рідини й кришкою посудини, залишатиметься сталим. Концентрація молекул насиченої пари ‒ найбільша можлива концентрація молекул пари за даної температури. Якщо ж насичену пару охолоджувати, то кількість молекул, що вилітатимуть з поверхні рідини, зменшуватиметься, а значить, концентрація вже ненасиченої пари теж стане меншою.

Говорячи про закритий балон, розуміємо, що об’єм, який займає кисень, залишається незмінним. Оскільки балон не відкривають, то кількість молекул кисню в ньому теж не змінюється, а отже, концентрація молекул не може змінитися. У результаті остигання кисню зменшиться швидкість руху молекул і, відповідно, тиск кисню в балоні.

Відповідь: Г.

Тема: Молекулярна фізика і термодинаміка. Основи термодинаміки. Коефіцієнт корисної дії теплової машини.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння поняття коефіцієнта корисної дії.

З одного боку коефіцієнт корисної дії \(\mathbf{\eta}\) теплової машини − фізична величина, яка характеризує економічність теплової машини й дорівнює відношенню роботи \(A,\) що виконує машина за цикл (корисної роботи), до кількості теплоти \(Q,\) одержуваної від нагрівача: $$ \mathbf{\eta}=\frac AQ\cdot 100\ \text{%}. $$

З іншого боку коефіцієнт корисної дії ідеальної теплової машини $$ \mathbf{\eta}=\frac{T_\text{Н}-T_\text{Х}}{T_\text{Н}}\cdot 100\ \text{%}, $$ де \(T_\text{Н}\) − температура нагрівача; \(T_\text{Х}\) − температура холодильника.

Прирівняймо ці два вирази для коефіцієнта корисної дії: \begin{gather*} \frac AQ\cdot 100\ \text{%}=\frac{T_\text{Н}-T_\text{Х}}{T_\text{Н}}\cdot 100\ \text{%},\\[6pt] \frac AQ=1-\frac{T_\text{Х}}{T_\text{Н}}. \end{gather*}

Визначімо із цієї рівності температуру нагрівника: $$ T_\text{Н}=\frac{T_\text{Х}}{1-\frac AQ}. $$

Візьмемо до уваги, що \(A\) ‒ це корисна робота, яка дорівнюватиме різниці кількості теплоти, отриманої від нагрівника, і кількості теплоти, яка була передана холодильнику:

Тепер можна обчислити температуру нагрівача:

Відповідь: Г.

ТЕМА: Електродинаміка. Закони постійного струму. Коефіцієнт корисної дії.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння змісту коефіцієнта корисної дії та вміння визначати його для різних пристроїв.

Коефіцієнт корисної дії \(\mathbf{\eta}\) пристрою дорівнює відношенню роботи \(A,\) виконуваної пристроєм, до кількості теплоти \(Q,\) отриманої під час згоряння палива: $$ \mathbf{\eta}=\frac AQ\cdot 100\ \text{%}. $$

Роботу струму визначімо як добуток потужності \(P\) струму й часу \(t\) роботи генератора: \begin{gather*} A=Pt. \end{gather*}

Кількість теплоти під час згоряння палива визначімо як добуток питомої теплоти згоряння \(q\) і маси палива \(m:\) $$ Q=qm. $$

Підставімо вирази для роботи і кількості теплоти у формулу для коефіцієнта корисної дії та обчислімо його:

Відповідь: 16.

ТЕМА: Молекулярна фізика і термодинаміка. Основи термодинаміки. Коефіцієнт корисної дії теплової машини.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння поняття коефіцієнта корисної дії.

З одного боку коефіцієнт корисної дії \(\mathbf{\eta}\) теплової машини − фізична величина, яка характеризує економічність теплової машини і дорівнює відношенню роботи \(A,\) виконуваної машиною за цикл, до кількості теплоти \(Q,\) одержуваної від нагрівника: $$ \mathbf{\eta}=\frac AQ\cdot 100\ \text{%}. $$

З іншого боку коефіцієнт корисної дії ідеальної теплової машини дорівнює: $$ \mathbf{\eta}=\frac{T_\text{н}-T_\text{х}}{T_\text{н}}\cdot 100\ \text{%}, $$ де \(T_\text{н}\)− температура нагрівника; \(T_\text{х}\) − температура холодильника

Прирівняємо ці два вирази для коефіцієнта корисної дії: \begin{gather*} \frac AQ\cdot 100\ \text{%}=\frac{T_\text{н}-T_\text{х}}{T_\text{н}}\cdot 100\ \text{%}. \end{gather*}

Визначімо із цієї рівності кількість теплоти \(Q,\) яку має передати нагрівник робочому тілу \((T_\text{н}=527\ ^\circ\mathrm{C}+273=800\ \text{К},\) \(T_\text{х}=7\ ^\circ\mathrm{C}+273=280\ \text{К}):\)

Відповідь: 8.

ТЕМА: Молекулярна фізика і термодинаміка. Основи термодинаміки. Застосування першого закону термодинаміки до ізопроцесів. Адіабатний процес.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння першого закону термодинаміки й уміння застосовувати його до адіабатного та ізопроцесів.

Перший закон (начало) термодинаміки: кількість теплоти \(Q,\) передана системі, йде на зміну внутрішньої енергії системи \(\Delta U\) та на виконання системою роботи \(A\) проти зовнішніх сил: $$ Q=\Delta U+A. $$

1. Ізотермічний процес. Під час цього процесу температура, а отже, і внутрішня енергія газу не змінюються \((\Delta U=0),\) тому рівняння першого закону термодинаміки має вигляд $$ Q=A. $$

Під час ізотермічного процесу вся передана газу кількість теплоти йде на виконання механічної роботи.

Варіант відповіді – Г.

2. Адіабатний процес. Це процес, який відбувається без теплообміну з навколишнім середовищем. Під час адіабатного процесу кількість теплоти \(Q,\) передана системі, дорівнює нулю, тому перший закон термодинаміки має вигляд $$ \Delta U+A=0,\ \text{або}\ A=-\Delta U. $$

Під час адіабатного розширення газ виконує додатну роботу за рахунок зменшення внутрішньої енергії, а температура газу зменшується.

Відповідний варіант відповіді – В.

3. Ізохорний процес. Під час цього процесу об’єм газу не змінюється \((\Delta V=0)\) і газ роботу не виконує \((A=0),\) тому рівняння першого закону термодинаміки має вигляд \begin{gather*} Q=\Delta U. \end{gather*}

Під час ізохорного процесу вся передана газу кількість теплоти витрачається на збільшення внутрішньої енергії газу.

Варіант відповіді – А.

4. Ізобарний процес. Під час цього процесу виконується робота і змінюється внутрішня енергія газу, тому рівняння першого закону термодинаміки має вигляд $$ Q=\Delta U+A. $$

Під час ізобарного процесу передана газу кількість теплоти йде і на збільшення внутрішньої енергії газу, і на виконання механічної роботи.

Варіант відповіді – Б.

Відповідь: 1Г, 2В, 3А, 4Б.

ТЕМА: Молекулярна фізика і термодинаміка. Властивості газів, рідин і твердих тіл. Змочування.

Завдання скеровано на розуміння того, як поводиться змочувальна або незмочувальна рідина в капілярах.

Унаслідок зіткнення з твердим тілом сферична форма краплі здебільшого не зберігається. Форма вільної поверхні рідини залежить від сил взаємодії молекул чи інших структурних частинок рідини зі структурними частинками твердого тіла.

Якщо сили взаємодії між структурними частинками рідини більші, ніж сили взаємодії між структурними частинками рідини та твердого тіла, рідина не змочує поверхню твердого тіла. Наприклад, ртуть не змочує скло, а вода не змочує вкриту сажею поверхню.

Крапелька ртуті розтечеться по поверхні цинкової пластинки, а крапелька води – на скляній поверхні. Отже, якщо сили взаємодії між структурними частинками рідини менші від сил взаємодії між молекулами рідини і твердого тіла, то рідина змочує поверхню твердого тіла.

За умовою крапля рідини розпливається тонким шаром по скляній поверхні, отже, змочує цю поверхню. Тому змочуватиме й вертикальний скляний капіляр.

Що тонший капіляр, то вище підніматиметься в ньому рідина. Рівень рідини в капілярі не може бути нижчим від загального рівня рідини в посудині, у яку капіляр уставлено.

Оскільки рідина змочує стінки капіляра, то біля його стінок вона набуватиме ввігнутої форми і ззовні, і зсередини.

Отже, єдиний правильний із-поміж наведених – рисунок А: рідина в капілярі піднялася вище від загального рівня, а вода і ззовні, і зсередини змочує скло.

Відповідь: A.

ТЕМА: Молекулярна фізика і термодинаміка. Основи молекулярно-кінетичної теорії. Ізопроцеси в газах.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння ізопроцесів в газах і вміння будувати й читати графіки відповідних ізопроцесів.

В умові завдання є графік ізобарного процесу ‒ для газу деякої маси відношення об’єму газу до температури є незмінним, якщо тиск газу не змінюється \((p=\mathrm{const}):\) \begin{gather*} \frac{V_1}{T_1}=\frac{V_2}{T_2},\\[6pt] \text{або}\ \frac VT=\mathrm{const}=\frac mM\cdot \frac Rp. \end{gather*}

Збільшуючи чисельник (об’єм), треба в стільки ж разів збільшувати знаменник (абсолютну температуру), щоб значення дробу було незмінним.

Графік ізобарного процесу називають ізобарою. Як випливає із закону Ґей-Люссака, за незмінного тиску об’єм газу даної маси прямо пропорційний його температурі: \begin{gather*} V=\mathrm{const}\cdot T,\\[6pt] \text{або}\ T=\mathrm{const}\cdot V. \end{gather*}

Графіком цієї залежності в координатах \(T,\ V\) є пряма, що проходить через початок координат (див. рисунок в умові). Аналізуючи графік, доходимо висновку, що з наближенням до абсолютного нуля об’єм ідеального газу має зменшитися до нуля. Зрозуміло, що це неможливо, оскільки реальні гази за низьких температур перетворюються на рідини.

У координатах \(p,\ V\) і \(p,\ T\) ізобари перпендикулярні до осі тиску. Єдиний рисунок із варіантів відповіді, на якому зображено графік \(p=\mathrm{const}\) ‒ варіант В:

Відповідь: B.

ТЕМА: Молекулярна фізика і термодинаміка. Основи термодинаміки. Кількість теплоти.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння перетворення кількості теплоти в інший вид енергії.

Унаслідок утраченої мідною кулькою внутрішньої енергії виділилася певна кількість теплоти \(Q:\) \begin{gather*} Q=cm\Delta t, \end{gather*} де \(c\) ‒ питома теплоємність міді, з якої зроблена кулька, \(m\) ‒ маса кульки, \(\Delta t\) ‒ зміна температури.

Під час підняття кульки на певну висоту \(h\) збільшиться її потенціальна енергія \(E_p\) від нуля до якогось значення: $$ E_p=mgh, $$ де \(g\) ‒ прискорення вільного падіння.

За умовою на підняття кульки витратиться \(1\ \text{%}\) від кількості теплоти, що виділиться: \begin{gather*} 0,01\cdot Q=E_p,\\[7pt] 0,01\cdot cm\Delta t=mgh,\\[7pt] 0,01\cdot c\Delta t=gh. \end{gather*}

Виразімо звідси \(h\) й обчислімо її:

Відповідь: A.

ТЕМА: Молекулярна фізика й термодинаміка. Основи молекулярно-кінетичної теорії. Рівняння стану ідеального газу. Ізопроцеси в газах. Основи термодинаміки. Робота в термодинаміці.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння ізопроцесів і вміння визначати роботу газу.

Проаналізуймо кожен процес циклу.

Процес \(1\rightarrow 2\) ‒ це процес ізобарного нагрівання (тиск \(p=\mathrm{const},\) абсолютна температура ідеального газу підвищується \(T_2\gt T_1,\) відповідно об᾽єм збільшується \(V_2\gt V_1\)). Запишімо рівняння Менделєєва ‒ Клапейрона: $$ (p\Delta V)_{1-2}=\mathbf{\nu}R(T_2-T_1), $$ де \(\mathbf{\nu}\) ‒ кількість речовини, \(R\) ‒ універсальна газова стала.

Робота \(A_{1-2}\) газу внаслідок цього ізобарного розширення дорівнюватиме добутку тиску \(p\) й зміни об’єму \(\Delta V:\)

Оскільки \(T_1=T,\) а \(T_2=3T\) (де \(T\) ‒ одиничний відрізок ‒ дивись рисунок), то:

Процес \(2\rightarrow 3\) ‒ це ізотермічний процес \((T=\mathrm{const}).\) Відповідно до рівняння Клапейрона \begin{gather*} p_2V_2=p_3V_3,\\[7pt] p_3\lt p_2\Rightarrow V_3\gt V_2. \end{gather*} Це процес ізотермічного розширення.

Процес \(3\rightarrow 4\) ‒ це процес ізобарного охолодження (тиск \(p=\mathrm{const},\) абсолютна температура ідеального газу спадає \(T_4\lt T_3,\) відповідно об’єм теж зменшується \(V_4\lt V_3\)). Запишімо рівняння Менделєєва ‒ Клапейрона: $$ (p\Delta V)_{3-4}=\mathbf{\nu}R(T_4-T_3). $$

Робота \(A_{3-4}\) газу внаслідок цього ізобарного стиснення також дорівнюватиме добутку тиску \(p\) і зміни об’єму \(\Delta V:\)

Оскільки \(T_3=3T,\) а \(T_4=T\) (де \(T\) ‒ одиничний відрізок ‒ див. рисунок), то:

Робота \(A_{3-4}\) є від’ємною, оскільки

Процес \(4\rightarrow 1\) ‒ це ізотермічний процес \((T=\mathrm{const}).\) Відповідно до рівняння Клапейрона

Це процес ізотермічного стиснення.

Обчислімо співвідношення абсолютних значень робіт \(A_{1-2}\) й \(A_{3-4}:\)

Відповідь: \(1\).

ТЕМА: Молекулярна фізика й термодинаміка. Властивості газів, рідин і твердих тіл. Кристалічні та аморфні тіла.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння поділу твердих тіл за властивостями на кристалічні та аморфні.

У твердому кристалічному стані в речовині молекули розташовані в певному порядку (утворюють кристалічні ґратки) на відстанях, що приблизно дорівнюють розмірам самих молекул, тому сили міжмолекулярної взаємодії втримують їх біля положення рівноваги.

Зазначмо, що молекули деяких твердих тіл у цілому розташовані безладно. Такий стан речовини називають аморфним. Речовини в аморфному стані нагадують дуже в’язкі рідини. Якщо покласти в посудину кристалики солі, вони ніколи не зберуться в один великий кристал. А от якщо покласти в посудину шматочки смоли, яка є аморфною речовиною, то через кілька днів смола зілляється і набуде форми посудини.

На відміну від кристалічних, аморфні речовини не мають певної температури плавлення, а переходять у рідкий стан поступово розм’якшуючись. Аморфний стан речовин нестабільний ‒ поступово відбувається кристалізація.

Отже, перехід у рідкий стан відбувається різко тільки тілом, що складається з кристалічної речовини, після досягнення певної температури – температури плавлення.

Відповідь: Б.

ТЕМА: Молекулярна фізика й термодинаміка. Властивості газів, рідин і твердих тіл. Поверхневий натяг рідин. Сила поверхневого натягу.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння сили поверхневого натягу.

Крапля утримується біля невеликого отвору піпетки доти, доки сила поверхневого натягу більша за силу тяжіння, що діє на цю краплю. Маса краплі більшає, шийка краплі тоншає, і сила поверхневого натягу вже не може компенсувати дію сили тяжіння.

Відрив же станеться тоді, коли ці дві сили стануть рівними. Уважатимемо, що маса однієї краплі з умови завдання саме така, за якої крапля відривається від піпетки, а діаметр шийки краплі дорівнює діаметру отвору піпетки (за умовою): \begin{gather*} F_\text{пов}=F_\text{т},\\[7pt] \mathbf{\sigma}l=m_1g, \end{gather*} де \(\mathbf{\sigma}\) ‒ поверхневий натяг, \(l=2\mathbf{\pi}R\) ‒ лінія, що обмежує поверхню рідини; \(m_1=\frac MN\) ‒ маса однієї краплі, коли загальна маса \(N\) крапель становить \(M;\) \(g\) ‒ прискорення вільного падіння.

Визначмо поверхневий натяг рідини:

Відповідь: Б.

ТЕМА: Молекулярна фізика й термодинаміка. Основи термодинаміки. Питома теплоємність речовини.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння питомої теплоємності речовини, а також зміни стану речовини.

Питома теплоємність речовини – це фізична величина, що характеризує речовину й чисельно дорівнює кількості теплоти, яку треба передати речовині масою \(1\ \text{кг},\) щоб нагріти її на \(1\ ^\circ\mathrm{С}.\) Питому теплоємність позначають символом \(c\) й визначають за формулою: $$ c=\frac{Q}{m\Delta T}, $$ де \(Q\) – кількість теплоти; \(m\) – маса речовини; \(\Delta T\) – зміна температури.

За умовою постійна потужність теплопередачі \(P,\) тож кількість теплоти, яку отримувала вода, визначмо за формулою $$ Q=A=P\Delta t, $$ де \(A\) – робота, виконана за проміжок часу \(\Delta t.\)

З’ясуймо, яка ділянка графіка відповідає рідкому стану води, тому що за умовою саме в цьому стані треба визначити питому теплоємність. Проаналізуймо графік. В умові зазначено, що в момент часу \(t=0\) с вода була у твердому стані (лід). Протягом проміжку часу \(\Delta t_1\) температура підвищувалася – лід нагрівався.

Потім протягом \(\Delta t_2\) температура залишалася незмінною. Це означає, що змінився агрегатний стан – після досягнення температури \(0\ ^\circ\mathrm{C}\) лід починає плавитися, а його температура не змінюється (горизонтальна ділянка графіка протягом \(\Delta t_2\)) незважаючи на те, що нагрівач продовжує працювати й передавати льоду певну кількість теплоти. Уся енергія, що надходить від нагрівника, іде на руйнування кристалічної ґратки льоду. У цей інтервал часу внутрішня енергія льоду продовжує збільшуватися.

Після перетворення всього льоду на воду (права крайня точка горизонтальної ділянки графіка протягом \(\Delta t_2\)), температура води починає зростати (ділянка графіка протягом \(\Delta t_3\)) і підвищується на \(\Delta T_2,\) тобто починає зростати кінетична енергія руху молекул. Саме для цієї ділянки обчислюватимемо питому теплоємність (наступна горизонтальна ділянка графіка протягом \(\Delta t_4\) відповідає фазовому переходу з рідкого стану в газуватий, а далі протягом \(\Delta t_5\) гріється утворена пара).

Отже, дістанемо вираз для визначення питомої теплоємності води в рідкому стані: $$ c=\frac{Q}{m\Delta T}=\frac{P\Delta t_3}{m\Delta T_2}. $$

Відповідь: B.

ТЕМА: Молекулярна фізика й термодинаміка. Основи молекулярно-кінетичної теорії. Ізопроцеси в газах.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння ізопроцесів у газах і їхніх графіків.

Процес змінювання стану газу незмінної маси, що відбувається за сталого тиску \(p,\) називають ізобарним. Згідно з рівнянням Клапейрона $$ \frac{pV_1}{T_1}=\frac{pV_2}{T_2}, $$ де \(V_1\) і \(T_1\) ‒ об’єм й абсолютна температура газу в стані \(1;\) а \(V_2\) і \(T_2\) ‒ параметри газу в стані \(2.\) Після скорочення на \(p\) дістанемо: $$ \frac{V_1}{T_1}=\frac{V_2}{T_2}. $$

Графіки ізобарних процесів називають ізобарами. У координатах \(p, V\) ізобари перпендикулярні до осі тиску (див. рисунок).

Отже, процесу за сталого тиску \((p=\mathrm{const})\) газу відповідає графік Г.

Графік А відповідає процесу за сталого об’єму \((V=\mathrm{const}):\)

Графік Б ‒ це ізотерма, графік ізотермічного процесу \((T=\mathrm{const}):\)

Проаналізувавши графік В, бачимо, що зростає й об’єм, і тиск, тож відповідно до рівняння Клапейрона підвищуватиметься температура: $$ \frac{pV}{T}=\mathrm{const}. $$

Відповідь: Г.

ТЕМА: Молекулярна фізика й термодинаміка. Основи молекулярно-кінетичної теорії. Рівняння стану ідеального газу.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння зміни стану ідеального газу, а також вміння скласти рівність тисків.

Гелій до нагрівання мав певну температуру \(T_1\) і займав певний об’єм \(V_1.\) Цей газ створював тиск \(p\) на стінки посудини й на поршень. Зверху ж на рухомий поршень діє атмосферний тиск \(p_\text{атм},\) а також сам поршень теж діє з певним тиском \(p_\text{п}\) на гелій в посудині (див. рисунок).

Отже, можемо прирівняти тиск, який створює гелій, і суму тисків атмосферного і поршня, оскільки поршень не рухається: $$ p=p_\text{атм}+p_\text{п}. $$

Розпишімо, чому дорівнює тиск гелію і тиск поршня. Відповідно до рівняння стану ідеального газу (рівняння Менделєєва ‒ Клапейрона) $$ pV_1=\frac mMRT_1, $$ де \(m\) ‒ маса газу, \(M\) ‒ молярна маса, \(R\) ‒ універсальна газова стала.

Тиск, який створює поршень, визначатимемо за формулою $$ p_\text{п}=\frac FS, $$ де \(S\) ‒ площа поверхні, на яку поршень створює тиск; а \(F=P=m_\text{п}g\) ‒ сила тиску, якою у цьому прикладі є вага \(P,\) що дорівнює добутку маси \(m_\text{п}\) поршня і прискорення \(g\) вільного падіння.

Потім за умовою гелій нагріли до температури \(T_2,\) відповідно збільшився об’єм до \(V_2.\) Тиск при цьому залишився сталим, оскільки маса газу не змінилася, а поршень легко рухається в посудині, тобто відбувся ізопроцес, а саме, ізобарне нагрівання: $$ pV_2=\frac mMRT_2. $$

Запишімо загальне рівняння зміни стану газу після зміни абсолютної температури на \(\Delta T\) і відповідно зміни об’єму на \(\Delta V:\) $$ p\Delta V=\frac mMR\Delta T, $$ звідки тиск дорівнюватиме $$ p=\frac{mR\Delta T}{M\Delta V}. $$

Підставімо всі вирази для відповідних величин у рівність тисків: $$ \frac{mR\Delta T}{M\Delta V}=p_\text{атм}+\frac{m_\text{п}g}{S}. $$

Обчислімо значення правої частини рівності, щоб математично легше було визначити зміну об’єму \(\Delta V:\)

Отже, визначмо, на скільки збільшиться об’єм гелію:

Відповідь: Г.

ТЕМА: Молекулярна фізика й термодинаміка. Основи молекулярно-кінетичної теорії. Маса і розмір молекул. Концентрація.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння графічної інтерпретації залежності фізичних величин, а саме, концентрації молекул газу від об’єму.

Концентрація \(n\) молекул газу ‒ фізична величина, яка дорівнює числу \(N\) молекул в одиниці об’єму \(V\) газу: $$ n=\frac NV. $$

Як бачимо з формули, концентрація обернено залежить від об’єму: $$ n\sim \frac 1V. $$

За умовою газ стискають в посудині, отже, об’єм зменшується (знаменник зменшується), значить, концентрація збільшується. При цьому кількість молекул газу не змінюється ‒ газ міститься в посудині, його стискають рухомим поршнем, про витік газу мова не йде, отже, зміна концентрації залежатиме тільки від зміни об’єму.

Така обернена залежність величин відповідає математичній функції $$ y=\frac 1x, $$ графіком якої є вітки гіперболи.

Відповідно, графіком залежності концентрації молекул газу від об’єму буде вітка гіперболи з додатними значеннями (об’єм і концентрація не можуть бути від’ємними).

Графіки Б й В, які відображають лінійну залежність величин, не відповідають шуканій оберненій залежності. А за графіком Г зі збільшенням об’єму концентрація збільшується, що є неправильним у визначеній математичній залежності концентрації від об’єму.

Відповідь: A.

ТЕМА: Електродинаміка. Закони постійного струму. Робота і потужність електричного струму. Коефіцієнт корисної дії електронагрівача.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння фізичного змісту коефіцієнта корисної дії електричного нагрівача.

Коефіцієнт корисної дії \(\mathbf{\eta}\) показує, яка частина енергії \(Q_\text{ел. струму}\) електричного струму, що тече в електронагрівачі, становить корисно спожита кількість теплоти \(Q_\text{кор}\) (тут – кількість теплоти, яка пішла на нагрівання води): $$ \mathbf{\eta}=\frac{Q_\text{кор}}{Q_\text{ел. струму}}\cdot 100\ \text{%}. $$

Використаймо формули для розрахунку кількості теплоти, яку поглинає речовина під час нагрівання \(Q_\text{кор},\) і кількість теплоти \(Q_\text{ел. струму},\) яка виділяється в провіднику зі струмом: \begin{gather*} Q_\text{кор}=cm(t_2-t_1), \end{gather*} де \(c\) ‒ питома теплоємність води, \(m\) ‒ маса води, \(t_1\) і \(t_2\) ‒ початкова і кінцева температура води відповідно; $$ Q_\text{ел. струму}=I^2Rt=\frac{U^2t}{R}, $$ де \(I\) ‒ сила струму, \(U\) ‒ напруга, \(R\) ‒ опір, \(t\) ‒ час.

Відповідь: 84.

ТЕМА: Молекулярна фізика і термодинаміка. Властивості газів, рідин і твердих тіл. Поверхневий натяг рідин. Сила поверхневого натягу.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння дії сили поверхневого натягу і вміння застосовувати другий закон Ньютона у відповідній ситуації.

Зобразимо на рисунку всі сили, що діють на дротинку: вертикально вниз ‒ сила тяжіння \(\overrightarrow{F}_\text{тяж}\) і сили поверхневого натягу \(\overrightarrow{F}_\text{пов}\) з обох боків дротинки як на рисунку; вертикально вгору ‒ прикладена зовнішня сила \(\overrightarrow{F}_\text{зовн}.\)

Щоб можна було відірвати дротинку від поверхні рідини, зовнішня сила, напрямлена вгору, повинна дорівнювати сумі сил, що напрямлені вертикально вниз: $$ F_\text{зовн}=F_\text{тяж}+2F_\text{пов}. $$

Запишімо вирази для зазначених сил і визначімо шукану величину ‒ поверхневий натяг рідини \(\mathbf{\sigma}:\)

де \(m\) ‒ маса дротинки, \(g\) ‒ прискорення вільного падіння, \(l\) ‒ довжина дротинки.

Відповідь: 45.

ТЕМА: Молекулярна фізика і термодинаміка. Властивості газів, рідин і твердих тіл.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння станів речовини та їхніх властивостей.

Рідина ‒ один із фазових (агрегатних) станів речовини. Молекули рідини в цілому розташовані хаотично, однак у розташуванні найближчих молекул зберігається певний (ближній) порядок. Під дією зовнішніх сил вона набуває форми тієї посудини, у якій міститься, а об’єм рідини залишається незмінним (1Д).

Розрідженим називають газ, тиск якого нижчий від атмосферного. Розріджений газ можна вважати ідеальним газом.

Ідеальний газ ‒ це фізична модель газу, молекули якого приймають за матеріальні точки, що не взаємодіють одна з одною на відстані й пружно взаємодіють у моменти зіткнення. Стан ідеального газу описують рівнянням Менделєєва – Клапейрона: \begin{gather*} pV=\frac mMRT, \end{gather*} де \(p\) ‒ тиск газу, \(V\) ‒ об’єм газу, \(m\) ‒ маса газу, \(M\) ‒ молярна маса газу, \(R\) ‒ універсальна газова стала, \(T\) ‒ температура газу. За умовою \(T=\mathrm{const},\) отже, в правій частині рівняння всі величини сталі. Залишімо в лівій частині рівняння лише тиск \(p:\) $$ p=\frac{mRT}{M\cdot V}\Rightarrow p\sim \frac 1V. $$

Дійсно, після перетворення рівняння видно, що тиск обернено пропорційний об’єму (2Г).

Монокристал ‒ тверде тіло, частинки якого утворюють єдину кристалічну ґратку. Упорядковане розташування частинок у монокристалі є причиною того, що монокристали мають плоскі грані й незмінні кути між гранями; фізичні властивості монокристалів залежать від вибраного в них напрямку. Залежність фізичних властивостей кристала від вибраного в ньому напрямку називають анізотропією (від грец. anisos ‒ нерівний і tropos ‒ напрямок, властивість). Отже, монокристали є анізотропними (3В).

Насиченою парою називають пару, яка перебуває в стані динамічної рівноваги зі своєю рідиною, тобто кількість молекул, які повертаються в рідину, дорівнюватиме кількості молекул, які за той самий час залишають рідину. Концентрація молекул насиченої пари ‒ найбільша можлива концентрація молекул пари за певної температури.

Тиск, створюваний насиченою парою, є найбільшим тиском, який може створити пара рідини за певної температури. Якщо зменшити об’єм, який займає насичена пара, то на короткий проміжок часу концентрація молекул пари збільшиться, динамічна рівновага порушиться і кількість молекул, що надходять у рідину, перевищить кількість молекул, які залишають її поверхню. Конденсація переважатиме над випаровуванням доти, доки концентрація молекул пари не зменшиться до концентрації молекул насиченої пари, а тиск не дорівнюватиме тиску насиченої пари. Зі збільшенням об’єму, який займає насичена пара, навпаки, переважатиме процес випаровування, і внаслідок цього знову встановиться початковий тиск. Отже, на відміну від ідеального газу, тиск насиченої пари не залежить від її об’єму (4Б).

Відповідь: 1Д, 2Г, 3В, 4Б.

ТЕМА: Механіка. Основи динаміки. Елементи механіки рідин і газів. Молекулярна фізика і термодинаміка. Властивості газів, рідин і твердих тіл. Капілярні явища.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння явищ або виникнення сил і вміння пояснити їхній фізичний зміст.

1. Капіляр (від лат. capillaris ‒ волосяний) ‒ трубка з вузьким внутрішнім каналом. З капілярами пов’язані так звані капілярні явища. Капілярний ефект ‒ явище підвищення або зниження рівня рідини в капілярах, як порівняти з тим значенням, яке відповідає закону сполучених посудин.

Під викривленою поверхнею рідини виникає надлишковий (від’ємний або додатний) тиск, який прямо пропорційний поверхневому натягу рідини (тобто силам, що намагаються стягнути цю поверхню, прагнуть зменшити площу поверхні рідини) й обернено пропорційний радіусу кривизни меніска. Завдяки цьому тиску рідина піднімається в капілярах, які змочує (рисунок а), й опускається в капілярах, які не змочує (рисунок б).

Правильний варіант відповіді ‒ Г.

2. Архімедова (виштовхувальна) сила зумовлена тим, що тиск рідини збільшується з глибиною. На нижню поверхню зануреного в рідину тіла рідина тисне з більшою силою, ніж на верхню. Унаслідок цього рівнодійна сил тиску рідини на всі ділянки поверхні тіла напрямлена вгору ‒ ця рівнодійна і є архімедовою силою.

Сили гідростатичного тиску \(\overrightarrow{F}_3\) і \(\overrightarrow{F}_4,\) що діють на бічні грані кубика, є протилежними за напрямком і рівними за значенням, оскільки площі бічних граней однакові й ці грані розташовані на однаковій глибині. Такі сили зрівноважують одна одну.

А от сили гідростатичного тиску \(\overrightarrow{F}_1\) і \(\overrightarrow{F}_2,\) що відповідно діють на верхню і нижню грані кубика, одна одну не зрівноважують. Нижня грань перебуває на більшій глибині, ніж верхня, тому сила тиску \(\overrightarrow{F}_2,\) яка діє на нижню грань кубика, більша за силу тиску \(\overrightarrow{F}_1,\) що діє на верхню грань. Рівнодійна цих сил дорівнює різниці значень сил \(\overrightarrow{F}_2\) і \(\overrightarrow{F}_1\) і напрямлена в бік дії більшої сили, тобто вертикально вгору.

Правильний варіант відповіді ‒ Б.

3. Сила пружності ‒ це сила, яка виникає під час деформації тіла й напрямлена протилежно напрямку зміщення частин цього тіла в процесі деформації. Сила пружності є проявом дії міжмолекулярних сил.

У твердих тілах частинки коливаються біля положень рівноваги й взаємодіють міжмолекулярними силами притягання і відштовхування. У положеннях рівноваги ці сили зрівноважені. У разі деформації тіла у взаємному розташуванні його частинок виникають певні зміни.

Якщо відстань між частинками зростає, то міжмолекулярні сили притягання стають сильнішими за сили відштовхування.

Якщо ж частинки зближуються, то сильнішими стають міжмолекулярні сили відштовхування.

Іншими словами: у разі деформації частинки прагнуть відновити положення рівноваги. Сили, що виникають у разі зміни положення однієї частинки, дуже малі. Однак коли ми деформуємо тіло, то змінюється взаємне розташування величезної кількості частинок. Додавання сил дає помітну рівнодійну, яка протидіє деформації тіла. Це і є сила пружності.

Правильний варіант відповіді ‒ А.

4. Невагомість ‒ це відсутність ваги. Приберіть у тіла опору або підвіс ‒ і воно опиниться в стані невагомості. Опір повітря теж є своєрідною опорою. Невагомість ‒ це такий стан тіла, за якого тіло не діє на опору чи підвіс. Тіло поблизу поверхні Землі перебуває в стані невагомості, якщо на нього діє тільки одна сила ‒ сила тяжіння. На короткий час невагомість легко створити вдома, на вулиці, в класі тощо. Ви можете, наприклад, підстрибнути і на мить опинитися в стані невагомості: у такому разі, поки ви падаєте, опір повітря є нехтовно малим, тож можна вважати, що на вас діє лише сила тяжіння.

Постійно в стані невагомості перебувають космічні орбітальні станції і все, що в них є. Це пов’язано з тим, що космічні кораблі «постійно падають» на Землю через її притягання і водночас залишаються на орбіті завдяки своїй величезній швидкості.

Падіння тіл у безповітряному просторі лише під дією сили тяжіння називають вільним падінням.

Експериментально було доведено, що швидкість будь-якого тіла, яке вільно падає, щосекунди збільшується приблизно на \(9,8\ \text{м/с}.\) Тобто всі тіла, що рухаються вертикально вгору або вниз, рухатимуться прямолінійно рівноприскорено з прискоренням вільного падіння \(9,8\ \text{м/с}^2.\)

Правильний варіант відповіді ‒ В.

Відповідь: 1Г, 2Б, 3А, 4В.

ТЕМА: Молекулярна фізика і термодинаміка. Властивості газів, рідин і твердих тіл. Плавлення і тверднення тіл.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння зміни внутрішньої енергії речовини під час переходу з одного агрегатного стану в інший.

Після досягнення температури \(0\ ^\circ\mathrm{C}\) лід починає плавитися (танути), а його температура не змінюється попри те, що нагрівач продовжує працювати й передавати льоду певну кількість теплоти. Уся енергія, що надходить від нагрівача, витрачається на руйнування кристалічної ґратки льоду. У цей інтервал часу внутрішня енергія \(\Delta U\) льоду продовжує збільшуватися. І збільшиться вона на ту кількість теплоти \(Q,\) яка необхідна для плавлення льоду масою \(m=3\ \text{кг}:\) $$ \Delta U=Q=qm, $$ де \(q\) ‒ питома теплота плавлення;

Отже, внутрішня енергія льоду, що розтанув, збільшилася на \(9,9\cdot 10^5\ \text{Дж}.\)

Відповідь: B.

ТЕМА: Молекулярна фізика і термодинаміка. Основи термодинаміки. Робота в термодинаміці.

Завдання скеровано на перевірку розуміння роботи в термодинаміці.

Роботу газ виконуватиме, якщо змінюватиметься його об’єм. Якщо об’єм газу збільшується, то газ виконує додатну роботу. Якщо об’єм газу зменшується, то робота газу від’ємна.

Під час ізобарного процесу роботу \(A\) газу можна визначити за формулою \begin{gather*} A=p\Delta V, \end{gather*} де \(p\) ‒ тиск, \(\Delta V\) ‒ зміна об’єму.

Скористаймося рівнянням стану ідеального газу (рівнянням Менделєєва ‒ Клапейрона): $$ p\Delta V=\frac mMR\Delta T, $$ де \(m\) ‒ маса газу, \(M\) ‒ молярна маса газу, \(R\) ‒ універсальна газова стала, \(\Delta T\) ‒ зміна абсолютної температури.

Отже, роботу, яку виконує розріджений азот, можна визначити за формулою

Відповідь: B.

ТЕМА: Молекулярна фізика і термодинаміка. Основи термодинаміки. Застосування першого закону термодинаміки до ізопроцесів. Адіабатний процес.

Завдання скеровано на перевірку розуміння суті адіабатного процесу і закономірностей змін макроскопічних фізичних параметрів газу під час цього процесу.

Адіабатний процес ‒ це процес, який відбувається без теплообміну з навколишнім середовищем. Під час адіабатного процесу кількість теплоти, передана системі, дорівнює нулю. Отже, варіанти відповіді, у яких зазначено, що газ отримує тепло, можна відкинути.

Перший закон термодинаміки для адіабатного процесу має вигляд: $$ \Delta U+A=0,\ \text{або}\ A=-\Delta U. $$

Це означає, що в ході адіабатного розширення газ виконує додатну роботу \(A\) за рахунок зменшення внутрішньої енергії \(\Delta U,\) температура газу знижується, тиск також знижується, а об’єм збільшується.

Отже, правильною буде відповідь, що газ не отримує тепла, а його внутрішня енергія зменшується.

Відповідь: Б.

ТЕМА: Молекулярна фізика і термодинаміка. Основи молекулярно-кінетичної теорії. Ізопроцеси в газах.

Завдання скеровано на перевірку розуміння ізопроцесів і їхньої графічної інтерпретації.

Розгляньмо кожну ділянку графіка на рисунку з умови.

Ділянка 1‒2: тиск сталий \(p=\mathrm{const}\) (ізобарний процес), абсолютна температура \(T\) підвищується. Якщо зафіксувати тиск і нагрівати газ, то об’єм повинен збільшуватися. Отже, відповідно до рівняння Клапейрона для ізобарного процесу об’єм \(V\) теж збільшуватиметься: \begin{gather*} \frac VT=\mathrm{const}\Rightarrow \frac{V\uparrow}{T\uparrow}=\mathrm{const} \end{gather*} (стрілочка, напрямлена вгору, означає зростання значення величини; стрілочка, напрямлена вниз, означає зменшення значення величини).

Отже, ділянка 1‒2 графіка відповідає ізобарному нагріванню.

Ділянки 2‒3 й 4‒1 відповідають ізотермічному процесу, коли \(T=\mathrm{const},\) а тиск \(p\) зростає (див. рисунок). Це означає, що відповідно до рівняння Клапейрона для ізотермічного процесу об’єм зменшуватиметься: $$ pV=\mathrm{const}\Rightarrow p\uparrow V\downarrow =\mathrm{const}. $$

Отже, ділянки 2‒3 й 4‒1 графіка відповідають ізотермічному стисканню.

Ділянка 3‒4: якщо зафіксувати об’єм й охолоджувати газ, то тиск повинен зменшуватися. Отже, відповідно до рівняння Клапейрона для ізохорного процесу якщо температура \(T\) знижуватиметься, то й тиск теж зменшуватиметься: $$ \frac pT=\mathrm{const}\Rightarrow \frac{p\downarrow}{T\downarrow}=\mathrm{const}. $$

Отже, ділянка 3‒4 графіка відповідає ізохорному охолодженню.

Тепер за визначеними процесами знайдімо відповідний графік у системі координат \(V,\ T.\)

За першим процесом ‒ ізобарне нагрівання ‒ можемо виключити рисунок Г: на його ділянці 1‒2 температура знижується.

Процес 2‒3 ‒ це ізотермічне стискання. Виключаємо рисунок Б: на ньому ділянка графіка 2‒3 відповідає ізотермічному розширенню.

Процес 3‒4 (ізохорне охолодження) на рисунках А і В збігається.

А от за процесом 4‒1 ‒ ізотермічне стискання ‒ правильним буде лише рисунок А. На рисунку Б ділянка графіка 4‒1 відповідає ізотермічному розширенню.

Відповідь: A.

ТЕМА: Молекулярна фізика і термодинаміка. Основи молекулярно-кінетичної теорії. Основне рівняння молекулярно-кінетичної теорії.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння формули-наслідку з основного рівняння молекулярно-кінетичної теорії і формули, що виражає зв’язок середньої кінетичної енергії поступального руху молекул і температури.

Тиск \(p\) газу повністю визначає його абсолютна температура \(T\) й концентрація \(n\) молекул газу: $$ p=nkT, $$ де \(k=1,38\cdot 10^{-23}\ \text{Дж/К}\) ‒ стала Больцмана.

Запишімо це рівняння до підвищення температури й після: \begin{gather*} p_1=n_1kT_1,\\[7pt] p_2=n_2kT_2. \end{gather*}

За умовою абсолютна температура підвищилася втричі: $$ T_2=3T_1. $$

Також за умовою змінилася концентрація ‒ фізична величина, яка дорівнює кількості структурних одиниць речовини \(N\) в одиниці об’єму газу \(V\) (об’єм, який займає газ у балоні, залишився незмінним, тому що балон закритий): \begin{gather*} n_1=\frac{N_1}{V},\\[6pt] n_2=\frac{N_2}{V},\\[6pt] N_2=\frac 12N_1+\frac 12N_1\cdot 2. \end{gather*}

Відповідно до умови кожна друга молекула розпалася на два атоми. Отже, $$ N_2=\frac 12N_1(1+2)=1,5N_1. $$

Тепер визначімо, у скільки разів збільшився тиск газу:

Отже, тиск газу в балоні збільшиться в 4,5 раза.

Відповідь: B.

ТЕМА: Молекулярна фізика і термодинаміка. Основи молекулярно-кінетичної теорії. Рівняння стану ідеального газу. Механіка. Елементи механіки рідин і газів. Тиск нерухомої рідини на дно й стінки посудини.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння зв’язку між макроскопічними параметрами газу, а також на розуміння атмосферного й гідростатичного тиску.

Виразімо зв’язок між макроскопічними параметрами повітря (тиском \(p,\) об’ємом \(V\) і температурою \(T\)) в бульбашці, коли вона перебуває на глибині (положення 1), а потім спливає до поверхні озера (положення 2) за допомогою рівняння Клапейрона (маса і молярна маса повітря в бульбашці не змінюються): \begin{gather*} \frac{p_1V_1}{T_1}=\frac{p_2V_2}{T_2}. \end{gather*}

За умовою температура стала, отже, \begin{gather*} T_1=T_2,\\[7pt] p_1V_1=p_2V_2. \end{gather*}

Тиск \(p_1\) на глибині дорівнюватиме сумі атмосферного \(p_\text{атм}\) і гідростатичного \(p_\text{гідр}\) тиску: \begin{gather*} p_1=p_\text{атм}+p_\text{гідр},\\[7pt] p_1=p_\text{атм}+\mathbf{\rho}gh, \end{gather*} де \(\mathbf{\rho}\) ‒ густина рідини, \(g\) ‒ прискорення вільного падіння, \(h\) ‒ глибина.

А тиск біля поверхні дорівнює атмосферному тиску: \begin{gather*} p_2=p_\text{атм}. \end{gather*}

Запишімо відношення об’ємів, підставивши вирази для тисків:

Отже, об’єм бульбашки збільшиться у 2,5 раза.

Відповідь: B.

ТЕМА: Молекулярна фізика і термодинаміка. Властивості газів, рідин і твердих тіл. Кількість теплоти. Пароутворення (випаровування і кипіння).

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння фазових переходів речовини.

Спочатку вода нагріється до температури кипіння \(100\ ^\circ\mathrm{C}.\) Для цього потрібна буде кількість теплоти \(Q_1:\) $$ Q_1=cm_\text{в}\Delta t, $$ де \(c\) ‒ питома теплоємність води, \(m_\text{в}\) ‒ маса води, \(\Delta t\) ‒ зміна температури води.

Потім для перетворення усієї води на пару необхідна буде кількість теплоти \(Q_2:\) $$ Q_2=Lm_\text{в}, $$ де \(L\) ‒ питома теплота пароутворення води.

Під час процесу пароутворення температура води і пари не змінюватиметься, залишатиметься рівною \(100\ ^\circ\mathrm{C},\) уся кількість теплоти піде на подолання сил притягання між молекулами води.

Оскільки електроплитка буде та сама, коли вода нагріватиметься до кипіння, а потім випаровуватиметься, зможемо записати формули для потужності електроплитки під час обох процесів:

Прирівняймо праві частини цих рівностей, де \(\mathbf{\tau}_1\) і \(\mathbf{\tau}_2\) ‒ проміжки часу для доведення води до кипіння і для її випаровування відповідно: $$ \frac{cm_\text{в}\Delta t}{\mathbf{\tau}_1}=\frac{Lm_\text{в}}{\mathbf{\tau}_2}. $$

Скоротімо масу води, яка невідома, і визначімо час випаровування води:

Значення часу ми не переводили в систему SI, оскільки в умові є вимога подати відповідь у хвилинах. А значення температури не подали в системі SI, оскільки зміна температури за шкалою Кельвіна дорівнює зміні температури за шкалою Цельсія: \(\Delta T=\Delta t,\) тобто ціна поділки шкали Кельвіна дорівнює ціні поділки шкали Цельсія: \(1\ ^\circ\mathrm{C}=1\ \text{К}.\)

Відповідь: 50.

ТЕМА: Молекулярна фізика і термодинаміка. Основи термодинаміки. Робота в термодинаміці. Застосування першого закону термодинаміки до ізопроцесів.

Завдання скеровано на перевірку вміння визначати тип ізопроцесу й роботу газу відповідно до першого закону термодинаміки.

Роботу \(A\) газу в термодинаміці визначають за формулою \begin{gather*} A=p\Delta V, \end{gather*} де \(p\) ‒ тиск газу, \(\Delta V\) ‒ зміна об’єму газу.

Для того, щоб знати, що відбувається з тиском й об’ємом, необхідно розібратися, який процес відбувається з газом під час кожного етапу циклу.

Розгляньмо ділянку \(1‒2.\) Це ізобарний процес ‒ \(p=\mathrm{const}.\) Під час цього процесу, як видно з графіка, абсолютна температура \(T\) газу підвищується. Відповідно до рівняння Клапейрона для ізобарного процесу об’єм \(V\) газу теж буде збільшуватися:

Отже, процес \(1‒2\) ‒ це процес ізобарного нагрівання.

Оскільки температура підвищилася на дві позиції, то й об’єм збільшився на \(2\ \text{позиції},\) а тиск залишився тим самим: $$ A_{1-2}=p\cdot 2V. $$

Розгляньмо ділянку \(3‒4.\) Це теж ізобарний процес ‒ \(p=\mathrm{const}.\) Під час цього процесу, як видно з графіка, абсолютна температура \(T\) газу знижується. Відповідно до рівняння Клапейрона для ізобарного процесу об’єм \(V\) газу теж зменшуватиметься: \begin{gather*} \frac VT=\mathrm{const}\Rightarrow \frac{V\downarrow}{T\downarrow}=\mathrm{const}. \end{gather*}

Отже, процес \(3-4\) ‒ це процес ізобарного охолодження.

Оскільки температура знизилася на дві позиції, то і об’єм теж зменшився на \(2\ \text{позиції},\) а тиск залишився тим самим: $$ A_{3-4}=p\cdot 2V. $$

Визначімо відношення абсолютних (за модулем) значень робіт газу на ділянках \(1‒2\) і \(3‒4:\) $$ \frac{A_{1-2}}{A_{3-4}}=\frac{p\cdot 2V}{p\cdot 2V}=1. $$

Отже, газ виконав однакові роботи, тільки під час процесу \(1‒2\) газ розширювався, а під час процесу \(3‒4\) стискався.

Відповідь: 1.

ТЕМА: Молекулярна фізика і термодинаміка. Основи молекулярно-кінетичної теорії. Ізопроцеси.

Завдання скеровано на перевірку розуміння ізопроцесів і їхньої графічної інтерпретації.

1. Розгляньмо, які з графіків відповідають ізотермічному процесу ‒ \(T=\mathrm{const}.\) Це графіки на рисунках А і Б ‒ тиск змінюється, температура залишається сталою. Процес розширення означає, що об’єм \(V\) збільшується, а тиск \(p\) падає (див. рисунок). Відповідно до рівняння Клапейрона для ізотермічного процесу: $$ pV=\mathrm{const}\Rightarrow p\downarrow V\uparrow=\mathrm{const} $$ (стрілочка, напрямлена вгору, означає зростання значення величини; стрілочка, напрямлена вниз, означає зменшення значення величини).

Отже, процесу ізотермічного розширення відповідає графік на рисунку А.

2. Відповідно розглянемо одразу ізотермічне стискання ‒ графік на рисунку Б.

Процес стискання означає, що об’єм \(V\) зменшується, а тиск \(p\) зростає (див. рисунок). Відповідно до рівняння Клапейрона для ізотермічного процесу: $$ pV=\mathrm{const}\Rightarrow p\uparrow V\downarrow=\mathrm{const}. $$

Отже, процесу ізотермічного стискання відповідає графік на рисунку Б.

3. Розгляньмо ізобарний процес ‒ \(p=\mathrm{const}.\) Можна було б припустити, що правильним буде графік, який відповідає сталому тиску, зображений на рисунку Д.

Під час цього об’єм \(V\) зменшується (див. рисунок). Але ж тоді, відповідно до рівняння Клапейрона для ізобарного процесу температура \(T\) теж буде зменшуватися: $$ \frac VT=\mathrm{const}\Rightarrow \frac{V\downarrow}{T\downarrow}=\mathrm{const}. $$

Тобто на рисунку Д зображений графік ізобарного охолодження.

На рисунку Г тиск змінюється, це не відповідає ізобарному процесу. Тоді розгляньмо рисунок В, на якому зображено графік залежності об’єму від абсолютної температури:

Якщо зафіксувати тиск і нагрівати газ, то об’єм повинен збільшуватися. Отже, відповідно до рівняння Клапейрона для ізобарного процесу якщо температура \(T\) підвищуватиметься, то й об’єм \(V\) теж збільшуватиметься: $$ \frac VT=\mathrm{const}\Rightarrow \frac{V\uparrow}{T\uparrow}=\mathrm{const}. $$

Отже, на рисунку В зображено графік ізобарного нагрівання.

4. І нарешті розгляньмо рисунок Г, що залишився. Як бачимо, графік на ньому відповідає сталому об’єму ‒ ізохорний процес \(V=\mathrm{const}.\)

З’ясуймо, чи буде це процес охолодження. З графіка видно, що тиск \(p\) зменшується (див. рисунок). Отже, відповідно до рівняння Клапейрона для ізохорного процесу температура \(T\) теж знижуватиметься: $$ \frac pT=\mathrm{const}\Rightarrow \frac{p\downarrow}{T\downarrow}=\mathrm{const}. $$

Отже, графік на рисунку Г відповідає ізохорному охолодженню.

Відповідь: 1А, 2В, 3Г, 4Б.

ТЕМА: Коливання і хвилі. Оптика. Інтерференція світла та її практичне застосування.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння явища інтерференції світла за умови інтерференції світла на тонких плівках.

Світлова хвиля частково відбивається від зовнішньої поверхні плівки (хвиля 1), частково проходить через плівку і, відбившись від її внутрішньої поверхні, повертається в повітря (хвиля 2). Оскільки хвиля 2 проходить більшу відстань, ніж хвиля 1, між ними існує різниця ходу. Обидві хвилі когерентні, адже створені одним джерелом, тому внаслідок накладання їх спостерігають стійку інтерференційну картину. Якщо хвиля 2 відстає від хвилі 1 на парне число півхвиль, то спостерігають посилення світла (інтерференційний максимум), якщо на непарне ‒ послаблення світла (інтерференційний мінімум). Саме інтерференцією світла зумовлений колір, наприклад, багатьох комах (див. рисунок).

Біле світло поліхроматичне (складається з хвиль різної довжини), тому для посилення світлового випромінювання різного кольору потрібна різна товщина плівки: якщо плівка різної товщини освітлюється білим світлом, то вона має райдужне забарвлення (райдужні мильні бульбашки, райдужна оліїста плівка нафтопродуктів на поверхні води). Крім того, різниця ходу хвиль залежить від кута падіння світла на плівку (зі збільшенням кута падіння різниця ходу збільшується), тому тонкі плівки грають веселкою ‒ змінюють колір, коли змінюється кут, під яким ми дивимося на плівку. Зверніть увагу: якщо товщина плівки в кілька разів більша за довжину світлової хвилі, то інтерференційні смуги розташовані надто близько й око не здатне їх розділити ‒ смуги збігаються, і ми бачимо біле світло.

Відповідь: B.

ТЕМА: Молекулярна фізика і термодинаміка. Властивості газів, рідин і твердих тіл. Змочування.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння явищ змочування і незмочування.

Змочувальна рідина у капілярі піднімається по стінці, утворюється увігнута поверхня рідини – увігнутий меніск (рис. а). Незмочувальна рідина опускається в капілярі, утворюючи опуклий меніск (рис. б).

Відповідно до умови рідина в капілярі піднялася вище, ніж у посудині. Із цього робимо висновок, що ця рідина змочувальна. А отже, рідина на скляній поверхні не збереже свою сферичну форму, а прагнутиме розтектися по ній.

Форма вільної поверхні рідини залежить від сил взаємодії молекул рідини з молекулами твердого тіла. Якщо сили взаємодії між молекулами рідини менші від сил взаємодії між молекулами рідини і твердого тіла, рідина змочує поверхню твердого тіла. Найбільше рідина розтіклася на поверхні, зображеній на рисунку Г, ‒ це правильна відповідь.

Можна також скористатися важливою характеристикою змочування (незмочування). Це крайовий кут \(\mathbf{\theta}\) (див. рисунок).

Цей кут відраховують між межею рідина ‒ газ і поверхнею твердого тіла (зверніть увагу, що крайовий кут усередині рідини).

Випадок $$ 0\le \mathbf{\theta} \lt 90^\circ $$ відповідає змочуванню, а випадок $$ 90^\circ\lt \mathbf{\theta} \le 180^\circ $$ ‒ незмочуванню.

Випадки відповідно повного змочування та повного незмочування (рисунок А):

Отже, інформація про крайовий кут підтверджує, що правильним за даної умови є рисунок Г.

Відповідь: Г.

ТЕМА: Молекулярна фізика і термодинаміка. Властивості газів, рідин і твердих тіл. Відносна вологість повітря та вимірювання її.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння відносної вологості повітря і розуміння будови приладу для її вимірювання ‒ психрометра.

Психрометр складається з двох термометрів ‒ сухого, який вимірює температуру довкілля, і вологого ‒ його колба обгорнута тканиною, кінчик якої опущений у посудину з водою (див. рисунок).

Вода з тканини випаровується, і вологий термометр показує нижчу температуру, ніж сухий. Що нижча відносна вологість повітря, то швидше випаровується рідина й то більша різниця показів сухого і вологого термометрів.

Якщо ж обидва термометри психрометра показують однакову температуру (як в умові), тобто різниця показів сухого і вологого термометрів дорівнюватиме нулю, це означає, що вміст вологи в повітрі наблизився до максимального значення, тобто відносна вологість повітря дорівнює \(100\ \text{%}.\)

Відповідь: B.

ТЕМА: Молекулярна фізика і термодинаміка. Основи термодинаміки. Робота в термодинаміці.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння поняття роботи в термодинаміці та його геометричного змісту.

Робота газу чисельно дорівнює площі фігури під графіком залежності \(p(V).\)

Під час ізобарного процесу роботу газу можна визначити за формулою $$ A=p\Delta V. $$

Геометричний зміст роботи під час ізобарного процесу відображено на графіках:

Геометричний зміст роботи під час довільного процесу: робота газу чисельно дорівнює площі криволінійної трапеції під графіком залежності \(p(V):\)

Проаналізувавши циклічні процеси, робимо висновок, що найбільшу роботу газ виконав під час циклу В.

Відповідь: B.

Тема: Молекулярна фізика і термодинаміка. Основи молекулярно-кінетичної теорії. Стала Авогадро.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння сталої Авогадро й кількості речовини.

У будь-якій речовині кількістю \(1\ \text{моль}\) міститься однакова кількість атомів або молекул, ‒ стільки, скільки атомів Карбону міститься у вуглеці масою \(12\ \text{г}.\) Це стала Авоґадро \(N_А,\) її одиниця – \(\text{моль}^{-1}.\)

Фізичну величину, яка дорівнює частці від ділення кількості структурних частинок речовини \(N\) на число Авогадро, називають кількістю речовини \(\mathbf{\nu}:\) $$ \mathbf{\nu}=\frac{N}{N_A}, $$ де \(N(X)\) ‒ кількість структурних частинок речовини \(X.\)

Отже, щоб визначити кількість молекул \(N\) газу \(X\) у балоні, треба помножити одну порцію молекул \((N_А)\) на кількість цих порцій \((\mathbf{\nu}):\)

Відповідь: Б.