Középiskolai Matematikai és Fizikai Lapok
Informatika rovattal
Kiadja a MATFUND Alapítvány
Már regisztráltál?
Új vendég vagy?
Fizika — Mintamegoldás

A P. 5674. fizika feladat megoldása

Szerk

P. 5674. Egy hőerőgép egy \(\displaystyle C\) hőkapacitású, kezdetben \(\displaystyle T\) hőmérsékletű test és egy állandó \(\displaystyle T_0\) hőmérsékletű, nagy méretű hőtartály között üzemel.

Vizsgáljuk a következő két esetet: \(\displaystyle T=T_0+\Delta T\) és \(\displaystyle T=T_0-\Delta T\). Melyik esetben nyerhetünk több munkát?

(5 pont)

Példatári feladat nyomán

I. megoldás. A maximális, reverzibilis folyamatban működő gép (Carnot-gép) által végzett munka a hatásfok folyamatos változása miatt mindkét esetben integrálással fejezhető ki.


1. ábra

1. eset: \(\displaystyle T=T_0+\Delta T\) (a test melegebb, 1. ábra).

A pillanatnyi hatásfok:

\(\displaystyle \eta(T)=1-\frac{T_0}{T}. \)

A test által leadott kicsiny hőmennyiség \(\displaystyle \mathrm{d}Q=-C\mathrm{d}T\), így az eközben végzett elemi munka:

\(\displaystyle \mathrm{d}W=\eta\mathrm{d}Q=-C\left(1-\frac{T_0}{T}\right)\mathrm{d}T. \)

Ezt integrálva \(\displaystyle T_0+\Delta T\)-től \(\displaystyle T_0\)-ig:

\(\displaystyle W_1=-C\int\limits_{T_0+\Delta T}^{T_0}\left(1-\frac{T_0}{T}\right)\mathrm{d}T=CT_0\left(\frac{\Delta T}{T_0}-\ln\left(1+\frac{\Delta T}{T_0}\right)\right). \)


2. ábra

2. eset: \(\displaystyle T=T_0-\Delta T\) (a test hidegebb, 2. ábra).

Ekkor a hőtartály a meleg oldal (\(\displaystyle T_0\) hőmérsékleten) és a test a hideg (\(\displaystyle T\), változó hőmérsékleten). Reverzibilis folyamat esetén:

\(\displaystyle \frac{\mathrm{d}Q'}{\mathrm{d}Q}=\frac{T_0}{T}, \)

ahol \(\displaystyle \mathrm{d}Q'\) a hőtartály által leadott, \(\displaystyle \mathrm{d}Q=C\mathrm{d}T\) pedig a test által felvett kicsiny hőmennyiség. A kettő különbsége az elemi munkavégzés:

\(\displaystyle \mathrm{d}W=\mathrm{d}Q'-\mathrm{d}Q=C\left(\frac{T_0}{T}-1\right)\mathrm{d}T. \)

Ezt integrálva \(\displaystyle T_0-\Delta T\)-től \(\displaystyle T_0\)-ig:

\(\displaystyle W_2=C\int\limits_{T_0-\Delta T}^{T_0}\left(\frac{T_0}{T}-1\right)\mathrm{d}T=CT_0\left(-\frac{\Delta T}{T_0}-\ln\left(1-\frac{\Delta T}{T_0}\right)\right). \)

Összehasonlítás: Vezessük be az \(\displaystyle \varepsilon=\tfrac{\Delta T}{T_0}\) jelölést. Ekkor a két munka különbsége:

\(\displaystyle W_2-W_1=CT_0\left(\ln\frac{1+\varepsilon}{1-\varepsilon}-2\varepsilon\right)=2CT_0(\mathrm{artanh}\,\varepsilon-\varepsilon). \)

Mivel \(\displaystyle \mathrm{artanh}\,\varepsilon=\varepsilon+\tfrac{\varepsilon^3}{3}+\dots>\varepsilon\), ezért \(\displaystyle W_2>W_1\). Tehát több munka nyerhető a második esetben, amikor a test kezdetben hidegebb (\(\displaystyle T=T_0-\Delta T\)).

Megjegyzés. \(\displaystyle \Delta T\ll T_0\) esetén a közelítő alakok:

$$\begin{gather*} \frac{W_1}{CT_0}\approx\frac{1}{2}\left(\frac{\Delta T}{T_0}\right)^2-\frac{1}{3}\left(\frac{\Delta T}{T_0}\right)^3\\ \frac{W_2}{CT_0}\approx\frac{1}{2}\left(\frac{\Delta T}{T_0}\right)^2+\frac{1}{3}\left(\frac{\Delta T}{T_0}\right)^3, \end{gather*}$$

így a különbség csak a harmadrendű tagtól kezdve jelentkezik.

Erdélyi Dominik (Budapesti Fazekas M. Gyak. Ált. Isk. és Gimn., 12. évf.)

II. megoldás. Az összehasonlítás az integrálok kiszámítása nélkül is elvégezhető. Az integrálást mindkét esetben egy \(\displaystyle \Delta T\) hosszúságú intervallumon kellene végezzük: az egyik esetben \(\displaystyle T_0\)-ról indulva \(\displaystyle T_0+\Delta T\)-ig, a másik esetben \(\displaystyle T_0-\Delta T\)-ről indulva \(\displaystyle T_0\)-ig (3. ábra).


3. ábra

Hasonlítsuk össze a két integrandust! Az első esetben

\(\displaystyle T_0\leq T\leq T_0+\Delta T\quad\Rightarrow\quad T=T_0+\delta T, \)

míg a második esetben

\(\displaystyle T_0-\Delta T\leq T\leq T_0\quad\Rightarrow\quad T=T_0-\delta T, \)

ahol \(\displaystyle 0\leq\delta T\leq\Delta T\). Ez alapján (a \(\displaystyle C\) konstanst mindkét esetben elhagyva):

\(\displaystyle 1-\frac{T_0}{T}=1-\frac{T_0}{T_0+\delta T}=\frac{\delta T}{T_0+\delta T}\leq\frac{\delta T}{T_0-\delta T}=\frac{T_0}{T_0-\delta T}-1=\frac{T_0}{T}-1, \)

azaz a második esetben az integrandus mindig nagyobb (az intervallum szélén pedig egyenlő). Tehát – az I. megoldásban szereplő érveléssel összhangban – a második esetben nyerhető több munka.

17 dolgozat érkezett. Helyes 5 megoldás. Kicsit hiányos (4 pont) 3, hiányos (1–3 pont) 6, hibás 3 dolgozat.

Felhívás — KöMaL Ankét

KöMaL Ifjúsági Ankét és Díjátadó 2026

Időpont: 2026. október 29-30.

Helyszín: Bornemisza Péter Gimnázium (1107 Budapest, Száva u. 1.)

Regisztráció: diákoknak (gmail-es címmel) és felnőtteknek és nem gmail-es címmel diákoknak

Program a teljes cikkben.

Matfund — Támogatás

Kérjük, támogassa adója 1%-ával a KöMaL-t!

A KöMaL kiadásának, a versenyek teljes lebonyolításának, díjazásának és a díjkiosztóval egybekötött Ifjúsági Ankétok szervezésének költségeit 2007 óta a MATFUND Középiskolai Matematikai és Fizikai Alapítvány fizeti.

Kérjük, személyi jövedelemadója 1%-ának felajánlásával álljon a több, mint 125 éve alapított Középiskolai Matematikai és Fizikai Lapok mellé!

A Lap — Legfrissebb szám

A KöMaL 2026. márciusi száma

A Lap — Legfrissebb szám

A KöMaL 2026. februári száma

A Lap — Legfrissebb szám

A KöMaL 2026. szeptemberi száma

A Lap — Legfrissebb szám

A KöMaL 2025. decemberi száma

A Lap — Legfrissebb szám

A KöMaL 2026. januári száma

A Lap — Legfrissebb szám

A KöMaL 2026. áprilisi száma

A Lap — Legfrissebb szám

A KöMaL 2026. májusi száma

A Lap — Legfrissebb szám

A KöMaL 2026. októberi száma

Fizika — Mintamegoldás

Az M. 449. mérési feladat megoldása

M. 449. Készítsünk torziós ingát egy befőttesüvegből úgy, hogy az üveget függőleges helyzetében két párhuzamos cérnával felfüggesztjük. (A cérnaszálak hossza legyen 1 méter, távolságuk pedig egyezzen meg az üveg szájának átmérőjével. A csavaros tető segítségével rögzíthetőek.)

Mérjük meg a torziós inga lengésidejét az üvegbe töltött kristálycukor mennyiségének függvényében!

(6 pont)

Közli: Szabó Endre, Vágfüzes (Szlovákia)

Fizika — Mintamegoldás

A P. 5711. fizika feladat megoldása

P. 5715. Egy \(\displaystyle \ell\) hosszúságú fonálinga nehezéke nyugalmi állapotban majdnem a vízszintes talajig ér. Az ingát vízszintes helyzetéig kitérítjük, majd elengedjük. Amikor az inga fonala valamekkora \(\displaystyle \alpha\) szöget zár be a függőlegessel, a fonalat hirtelen elégetjük. Mekkora \(\displaystyle \alpha\) szög esetén repül a nehezék az egyensúlyi helyzetétől legmesszebbre, és mekkora ez a távolság? (A légellenállást hanyagoljuk el.)

Közli: Gnädig Péter, Vácduka