14.(5分)如图所示,一定质量的理想气体在状态A时压强为 $2 . 0 \times 1 0 ^ { 5 } \mathrm { P a }$ ,经历A→B→C$ \mathbf { A }$ 的过程,整个过程中对外界放出61.4J热量。求该气体在A→B过程中对外界所做的功。

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2018_江苏 Paper
14.(5分)如图所示,一定质量的理想气体在状态A时压强为 $2 . 0 \times 1 0 ^ { 5 } \mathrm { P a }$ ,经历A→B→C$ \mathbf { A }$ 的过程,整个过程中对外界放出61.4J热量。求该气体在A→B过程中对外界所做的功。

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由图象可知,状态 $A$ 的参量为:$p_A = 2.0 \times 10^5 \, \mathrm{Pa}$,$V_A = 1 \times 10^{-3} \, \mathrm{m^3}$,$T_A = 150 \, \mathrm{K}$。
状态 $C$ 的参量为:$V_C = 2 \times 10^{-3} \, \mathrm{m^3}$,$T_C = 300 \, \mathrm{K}$。
根据理想气体状态方程 $\frac{p_A V_A}{T_A} = \frac{p_C V_C}{T_C}$,代入数据得:
$$ \frac{2.0 \times 10^5 \times 1 \times 10^{-3}}{150} = \frac{p_C \times 2 \times 10^{-3}}{300} $$
解得 $p_C = 2.0 \times 10^5 \, \mathrm{Pa}$。
因为 $p_A = p_C$,且过程 $C \to A$ 在 $V-T$ 图中为过原点的直线(或由计算知压强相等),故 $C \to A$ 为等压变化过程。
对于整个过程 $A \to B \to C \to A$,气体回到初始状态,内能变化量 $\Delta U = 0$。
根据热力学第一定律 $\Delta U = W + Q$,其中 $W$ 为外界对气体做的总功,$Q$ 为气体吸收的热量。
已知整个过程中气体放出热量 $61.4 \, \mathrm{J}$,即 $Q = -61.4 \, \mathrm{J}$。
所以外界对气体做的总功:
$$ W = \Delta U - Q = 0 - (-61.4) \, \mathrm{J} = 61.4 \, \mathrm{J} $$
整个过程的功由三部分组成:$W = W_{AB} + W_{BC} + W_{CA}$。
1. **$B \to C$ 过程**:由图可知体积不变($V_B = V_C = 2 \times 10^{-3} \, \mathrm{m^3}$),为等容过程,故外界对气体做功 $W_{BC} = 0$。
2. **$C \to A$ 过程**:为等压压缩过程,压强 $p = 2.0 \times 10^5 \, \mathrm{Pa}$。
外界对气体做功:
$$ W_{CA} = p (V_C - V_A) \quad \text{(注意:此处公式应为 } p(V_{初}-V_{末}) \text{ 或积分 } -\int p dV \text{,因体积减小,外界做正功)} $$
更严谨地,外界对气体做功 $W_{CA} = -p \Delta V_{CA} = -p (V_A - V_C) = p (V_C - V_A)$。
$$ W_{CA} = 2.0 \times 10^5 \times (2 \times 10^{-3} - 1 \times 10^{-3}) \, \mathrm{J} = 200 \, \mathrm{J} $$
3. **$A \to B$ 过程**:设外界对气体做功为 $W_{AB}$。
由 $W = W_{AB} + W_{BC} + W_{CA}$,可得:
$$ 61.4 = W_{AB} + 0 + 200 $$
解得:
$$ W_{AB} = 61.4 - 200 = -138.6 \, \mathrm{J} $$
$W_{AB}$ 为负值,表示外界对气体做负功,即气体对外界做功。
故气体在 $A \to B$ 过程中对外界所做的功为 $138.6 \, \mathrm{J}$。