Szerk
P. 5692. Egy adott mennyiségű egyatomos ideális gáz kvázisztatikusan eljut a kezdeti \(\displaystyle p_0\) nyomású és \(\displaystyle V_0\) térfogatú állapotából a \(\displaystyle p_0\) nyomású és \(\displaystyle 2V_0\) térfogatú végállapotába. A folyamatot úgy választjuk meg, hogy a gáz hőmérséklete sohasem csökkenhet, illetve a gáz sohasem adhat le hőt.
a) Minimálisan mekkora hőt közölhettünk a gázzal?
b) Maximálisan mekkora hőt közölhettünk a gázzal?
(5 pont)Kvant feladat
I. megoldás. Jelölje a kezdeti, \(\displaystyle p_0\) nyomású és \(\displaystyle V_0\) térfogatú állapotot A, a végső, \(\displaystyle p_0\) nyomású és \(\displaystyle 2V_0\) térfogatú állapotot B. Mivel a gáz hőmérséklete sehol sem csökkenhet, a folyamat mindvégig az A és B állapotokhoz tartozó izotermák között kell haladjon. Ugyanígy, mivel a gáz sehol nem adhat le hőt, a folyamat mindvégig az A és B állapotokon átmenő adiabaták között kell haladjon. A folyamat tehát csak az 1. ábrán halvány zölddel jelölt \(\displaystyle \mathrm{AK_1BK_2}\) síkidomon belül haladhat.
1. ábra
Az I. főtétel alapján
\(\displaystyle Q=\Delta E+W_{\mathrm{g}}, \)
ahol \(\displaystyle Q\) a gáz által felvett hő, \(\displaystyle \Delta E=E_{\mathrm{B}}-E_{\mathrm{A}}\) a gáz belső energiájának megváltozása és \(\displaystyle W_{\mathrm{g}}\) a gáz által végzett munka. A hőfelvétel akkor lesz minimális, ha a gáz által végzett munka minimális, és akkor lesz maximális, ha a munkavégzés is maximális.
A gáz által végzett munka megegyezik a \(\displaystyle p\)–\(\displaystyle V\) síkon a folyamatot leíró görbe alatti (előjeles) területtel (hiszen \(\displaystyle \mathrm{d}W=p~\mathrm{d}V\)). Ez alapján a gáz legkisebb munkavégzése, és így legkisebb hőfelvétele az \(\displaystyle \mathrm{AK_1B}\) útvonalon, a legnagyobb pedig az \(\displaystyle \mathrm{AK_2B}\) útvonalon történik. (Ezek az útvonalak kielégítik a feladat feltételeit: a hőmérséklet soha nem csökken, mindig vagy állandó, vagy növekszik, és hőleadás sincsen, hiszen vagy hőfelvétel történik, vagy adiabatikus a folyamat.)
A \(\displaystyle \mathrm{K_1}\) állapotban a gáz állapotjelzői legyenek \(\displaystyle p_1\) és \(\displaystyle V_1\), az utóbbi meghatározása:
A \(\displaystyle \mathrm{K_1B}\) folyamat adibatikus, ott nem történik hőfelvétel. Az \(\displaystyle \mathrm{AK_1}\) folyamat izotermikus, így a hőfelvétel megegyezik a gáz munkavégzésével, amiből:
\(\displaystyle Q_{\mathrm{min}}=Q_{\mathrm{AK_1}}=W_{\mathrm{g},\,\mathrm{AK}_1}=p_0V_0\ln\frac{V_1}{V_0}=\frac{5\ln2}{2}p_0V_0\approx 1{,}73\,p_0V_0. \)
Hasonlóan a \(\displaystyle \mathrm{K_2}\) állapotban a \(\displaystyle V_2\) térfogat:
Most az \(\displaystyle \mathrm{AK_2}\) folyamat adibatikus, ott nem történik hőfelvétel, és a \(\displaystyle \mathrm{K_2B}\) folyamat izotermikus. Ezen a szakaszon a hőfelvétel így ismét megegyezik a gáz munkavégzésével, amiből:
\(\displaystyle Q_{\mathrm{max}}=Q_{\mathrm{K_2B}}=W_{\mathrm{g},\,\mathrm{K_2B}}=2p_0V_0\ln\frac{2V_0}{V_2}=5\ln2\cdot p_0V_0=2Q_{\mathrm{min}}\approx 3{,}46\,p_0V_0. \)
A Zsebkornél csapat: Baráz Kornél, Horváth Ábel Nándor, Szél Márton (Budapest, Szent István Gimn., 12. évf.)
II. megoldás. Legyen a gáz hőmérséklete az A jelű kiinduló állapotban \(\displaystyle T_0\), ekkor az egyesített gáztörvény alapján a B jelű végállapotban a hőmérséklet \(\displaystyle 2T_0\) lesz. A gáz entrópiaváltozása a folyamat során:
\(\displaystyle \Delta S=nR\left(\frac{f}{2}\ln\frac{2T_0}{T_0}+\ln\frac{2V_0}{V_0}\right)=\ln2\left(\frac{f}{2}+1\right)nR=\frac{5\ln 2}{2}nR, \)
ahol \(\displaystyle n\) a gáz anyagmennyisége, \(\displaystyle R\) pedig az egyetemes gázállandó. Felhasználtuk, hogy a gáz egyatomos, így \(\displaystyle f=3\). (Az entrópia kezdeti értékét nem tudjuk meghatározni – nincs is rá szükségünk –, csak a megváltozását.)
A folyamat során a hőmérséklet sehol sem csökkenhet. Ahhoz pedig, hogy a gáz soha ne adjon le hőt, az entrópia sem csökkenhet sehol. Tehát a folyamatnak a \(\displaystyle T\)–\(\displaystyle S\) hőmérséklet–entrópia grafikonon (2. ábra) a halvány zöld területen belül kell maradnia, csak a nagyobb hőmérséklet és nagyobb entrópia irányába haladhat (vagy állandó lehet).
2. ábra
A \(\displaystyle T\)–\(\displaystyle S\) grafikonon a gáz által felvett hőt a görbe alatti (előjeles) terület adja meg (hiszen \(\displaystyle \mathrm{d}Q=T\,\mathrm{d}S\)). Ebből látszik, hogy a minimális hőközlést úgy érhetjük el, ha először állandó \(\displaystyle T_0\) hőmérsékleten hőt közlünk a gázzal (növeljük az entrópiáját), majd adiabatikusan (hőközlés, és így entrópiaváltozás nélkül) összenyomva növeljük a hőmérsékletét (\(\displaystyle \mathrm{AK_1B}\) folyamat). A maximális hőközléshez pedig éppen fordítva, először adiabatikusan (izentropikusan) növeljük a hőmérsékletét, majd ezután állandó \(\displaystyle 2T_0\) hőmérsékleten közlünk vele hőt (\(\displaystyle \mathrm{AK_2B}\) folyamat).
A minimális közölt hő tehát:
\(\displaystyle Q_{\mathrm{min}}=T_0\Delta S=\frac{5\ln 2}{2}nRT_0=\frac{5\ln 2}{2}p_0V_0\approx 1{,}73\,p_0V_0. \)
a maximális közölt hő pedig:
\(\displaystyle Q_{\mathrm{max}}=2T_0\Delta S=5\ln 2\cdot nRT_0=5\ln 2\cdot p_0V_0=2Q_{\mathrm{min}}\approx 3{,}46\,p_0V_0. \)
Patócs Péter (Budapest, Kempelen Farkas Gimn., 10. évf.)
31 dolgozat érkezett. Helyes 8 megoldás. Hiányos (1–3 pont) 22, hibás 1 dolgozat.
Program
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.
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!
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)
G. 921. Gyerekek egy \(\displaystyle 10^\circ\)-os hajlásszögű hegyoldalon szánkóznak. A hegy alján a lejtő vízszintes felületben folytatódik. A jeges hóréteg mindenütt egyforma, így a súrlódási együttható értéke a lejtőn és a vízszintes felületen megegyezik. A szánkó kezdősebesség nélkül indul el a lejtő tetejéről, majd a lejtő aljára érve tovább csúszik a vízszintes szakaszon, ahol végül megáll. A szánkó harmad annyi idő alatt csúszott le a lejtőn, mint amennyi ideig mozgott a vízszintes szakaszon.
a) Hányszor hosszabb utat tett meg a szánkó a vízszintes szakaszon, mint a lejtőn?
b) Határozzuk meg a csúszási súrlódási együttható értékét!
c) A lecsúszás után az egyik gyerek visszahúzza a kiindulási pontra a szánkót. Hányszor több munkát végez a lejtőn, mint a vízszintes részen történő húzás közben? (A gyerek mindig a talajjal párhuzamos erőt fejt ki, és egyenletesen mozog.)
Tarján Imre fizikaverseny, Szolnok