Задание №9 ОГЭ по физике


Основы термодинамики


Для решения задания № 9 ОГЭ по физике требуется знание основ термодинамики, а именно: основных физ.величин, явлений и понятий, значимых в этом разделе курса физики. Часть необходимых теоретических сведений приведена в разделе теории к заданию, остальные – в разделах теории к другим заданиям по данному разделу. В первую очередь это задание № 8, где рассмотрены понятия средней скорости, кинетической энергии молекул, удельной теплоемкости и др.


Теория к заданию №9 ОГЭ по физике


Взаимные преобразования газов, жидкостей, твердых тел

Практически всякое вещество может находиться как в твердом, так и в жидком и газообразном состоянии. Эти состояния называют агрегатными. Вещество пребывает в одном из них в зависимости от своей температуры. Значения температур, при которых происходят переходы в то или иное агрег.состояние, разнятся для разных тел.

Некоторые вещества не имеют газообразного состояния. Это физ.тела, имеющие сложное хим.строение, которые при повышении температуры распадаются еще до достижения ими газообразного состояния. Таким, в частности, является сахар.

Процесс перехода газа в жидкость называется конденсацией (или сжижением). Обратный процесс – преобразование жидкости в газ – называют испарением.

Переход вещества из жидкого состояние в твердое – это кристаллизация (или замерзание), из твердого в жидкое – плавление.

Возможен переход из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое; он называется сублимацией (или возгонкой). Обратный процесс называют десублимацией.

Процесс перехода из газообразного состояния в четвертое агрегатное – плазму – называют ионизацией, а обратно – из плазмы в газ – рекомбинацией.

Тепловое равновесие

Тепловым равновесием называют состояние физ.системы, имеющей единые макроскопические параметры, которые сколь угодно долго остаются неизменными. Тепловое равновесие по-другому называют термодинамическим.

Значимыми параметрами системы, находящейся в состоянии теплового равновесия или стремящейся к нему, являются ее объем, давление, температура. Отличительные особенности такой системы – это отсутствие взаимных преобразований и теплообмена с окружающими физ.телами. Микроскопические процессы при тепловом равновесии – взаимодействие и движение частиц физ.системы – не прекращаются. За счет этого осуществляется обмен энергии; при нагревании и при переходах из одного агрегатного состояния в другое энергия поглощается, при охлаждении – отдается.

Пар насыщенный и ненасыщенный

Молекулы жидкости у ее поверхности постоянно испаряются в некотором количестве. А молекулы ее пара, которые находятся в непосредственной близости с поверхностью жидкости, частично конденсируются. Эти процессы не прекращаются, все время изменяя уровень влажности и степень насыщенности воздушных масс на границе с жидкостью. Причем в зависимости от температуры окружающей среды может преобладать то процесс испарения, то конденсации. И пока эти процессы неуравновешенны, т.е. пока количество испаряющихся и конденсирующихся молекул разное, пар является ненасыщенным. Когда эти количества станут равными, пар становится насыщенным.

Насыщения пара можно достичь тогда, когда жидкость находится в закрытой емкости. В этом случае вне зависимости от изменения температуры и объема емкости с течением времени происходит насыщение пара. Когда температура понижается, молекулы пара начинают конденсироваться интенсивнее, чем молекулы жидкости испаряться. Это приводит к уменьшению плотности газа, которое автоматически ведет к увеличению интенсивности испарения. И пар снова приходит в насыщенное состояние. При увеличении температуры происходит обратное, но в результате пар все равно приходит к насыщению. А при изменениях объема те же процессы происходят в связи с изменениями давления в емкости. Впрочем, в таких процессах все величины – плотность, давление и т.д. – напрямую взаимосвязаны, так что их разделение и акцент на одной из них являются условными.

Насыщение пара означает, что для жидкости достигнуто состояние термодинамического равновесия.

Влажность

Влажность – физ.величина, характеризующая содержание воды в среде или физ.теле. Чаще всего влажность измеряют в процентах (%):

  1. от первоначального ее объема в физ.теле или в среде
  2. от первоначальной массы вещества.

Различают влажность абсолютную и относительную. Абсолютная представляет собой отношение кол-ва воды в физ.теле к единице массы его сухой части. Относительную определяют как фактическое содержание влаги в сравнении с тем ее количеством, которое содержится в физ.теле тогда, когда оно находится в термодинамическом равновесии.

Количественно относит.влажность вычисляют по формуле:

где р – давление пара в данный момент времени, рн.п. – давление насыщенного пара этого же физ.тела.

Внутренняя энергия физического тела

Под внутренней энергией физ.тела понимают сумму потенциальных энергий взаимодействия его частиц (атомов и молекул) и кинетических энергий их хаотического перемещения внутри тела. Величина внутр.энергии зависит от 1) температуры физ.тела, поскольку с температурой связана скорость перемещения частиц и, значит, их кинет.энергии; 2) от объема тела, т.к. объем связан с расстоянием между атомами и молекулами и, следовательно с их потенц.энергиями.

Количество теплоты

Эта физ.величина определяет значение энергии, которую отдает (теряет) либо получает физ.тело при теплопередаче. Передаваемое от одного физ.тела к другому кол-во теплоты может идти на их переход в другое агрегатное состояние (плавление, кристаллизацию, испарение и т.д.), на охлаждение, нагревание, сгорание тел. При этом отдача (утрата) физ.телом теплоты ведет к уменьшению его внутр.энергии, а получение – к ее увеличению.

Единица измерения этой физ.величины – джоули (реже – калории).


Разбор типовых вариантов заданий №9 ОГЭ по физике


Демонстрационный вариант 2018

В калориметр с водой добавили лёд. На рисунке представлены графики зависимости температуры от времени для воды и льда в калориметре. Теплообмен с окружающей средой пренебрежимо мал.

Используя данные графика, выберите из предложенного перечня два верных утверждения. Укажите их номера.

  1. Начальная температура воды равна t1.
  2. Участок БВ соответствует процессу кристаллизации воды в калориметре.
  3. Точка Б соответствует времени, когда в системе вода-лёд установилось состояние теплового равновесия.
  4. К моменту установления теплового равновесия весь лёд в калориметре растаял.
  5. Процесс, соответствующий участку АБ, идёт с поглощением энергии.
Алгоритм решения:

1. Руководствуясь графиками, определяем, какому агрегатному состоянию соответствуют приведенные на нем точки А–Г.

2–6. На основании сведений, полученных в п.1, анализируем приведенные утверждения 1–5 и делаем вид относительно их истинности.

Решение:
  1. Твердому агрег.состоянию (лед) соответствует нижний график, ограниченный точками Г и В, поскольку . Участок верхнего графика между точками А и Б соответствует воде, т.к. здесь температура больше нуля. В т.Б , что означает начало процесса кристаллизации воды. Процесс кристаллизации продолжается в течение времени, отображенного на участке верхнего графика между точками Б и В, поскольку температура кристаллизации достигнута и на промежутке БВ не меняется. В т.В температура воды и льда совпадают, что указывает на наступление теплового равновесия.
  2. Утверждение 1 верно, поскольку верхний график соответствует воде, и т.А, в которой температура равна t1, является его начальной точкой.
  3. Утверждение 2 верно, что полностью разъяснено в п.1.
  4. Утверждение 3 не верно, поскольку в т.Б вода и лет имеют разные температуры. Согласно п.1 тепловое равновесие установлено только в т.В.
  5. Утверждение 4 неверно, поскольку в калориметре не только не тает лед, но, напротив, начинает замерзать вода.
  6. Утверждение 5 неверно, т.к. на промежутке АБ происходит охлаждение воды, а этот процесс сопровождается потерей энергии, т.е. ее отдачей, а не поглощением.

Ответ: 12


Первый вариант (Камзеева, № 3)

Герметично закупоренная бутыль, частично заполненная водой и находящаяся длительное время при комнатной температуре, была переставлена в холодильник. Как изменятся в холодильнике плотность водяного пара и относительная влажность в бутыли?

Установите соответствие между физическими величинами и их возможными изменениями.

Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:

  1. увеличится
  2. уменьшится
  3. не изменится

Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.

Алгоритм решения:
  1. Анализируем условие и определяем процессы, происходящие с водой в бутыли при комнатной температуре.
  2. Выясняем, что происходит с бутылью с водой при помещении ее в холодильник. Определяем, изменяется ли плотность пара и как именно.
  3. Выясняем имеет ли место изменение относит.влажности.
Решение:
  1. При длительном нахождении закупоренной бутыли при комнатной темп-ре водяной пар, содержащийся в ней, становится насыщенным. Это означает, что кол-во образующихся в течение произвольной единицы времени молекул водяного пара равно кол-ву конденсирующихся молекул воды за это же время.
  2. Когда бутыль помещена в холодильник, то объем, занимаемый водяным паром, не изменится, а его масса уменьшится, поскольку при снижении температуры часть молекул конденсируется. Т.к. масса , то при неизменном объеме ρ прямо пропорционально m и при уменьшении m плотность тоже снизится. Следовательно, в левую колонку итоговой таблицы следует вписать цифру 2:
  3. После того, как бутыль простоит в холодильнике некоторое время, произойдет насыщение водяного пара, поскольку с течением времени жидкость в закрытой емкости обязательно приходит в состояние термодинамического равновесия и процессы конденсации и испарения начинают протекать в ней с одинаковой интенсивностью. А это значит, что относит.влажность в бутыли станет равной 100 % и изменяться уже не будет. Следовательно, в правую колонку таблицы необходимо вписать цифру 3:

Ответ: 23


Второй вариант (Камзеева, № 10)

Жидкий металл, предварительно охлажденный до температуры плавления, начинает кристаллизироваться. Как в процессе кристаллизации меняются температура и внутренняя энергия металла?

Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:

  1. увеличивается
  2. уменьшается
  3. не изменяется

Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.

Алгоритм решения:
  1. Анализируем условие и выясняем характер изменения температуры. Вписываем соответствующую цифру в таблицу.
  2. Определяем характер изменения внутр.энергии. Заполняем таблицу.
Решение:
  1. Известно, что при критических процессах, т.е. при процессах перехода из одного агрегатного состояния в другое, температура не меняется. Поскольку кристаллизация является именно таким процессом, то справедливо утверждать, что температура металла остается неизменной. Соответственно, в итоговую таблицу (в левую ее колонку) нужно вписать цифру 3:
  2. Поскольку имеет место процесс кристаллизации, то происходит выделение теплоты. Это означает, что металл теряет часть своей энергии и, следовательно, его внутренняя энергия уменьшается. Тогда в таблицу (в правую ее колонку) требуется вписать 2:

Ответ: 32