Subiect oficial de bacalaureat

BAC Fizică (Mecanică + Termodinamică) - iunie 2025 (Varianta 1)

180 de minute90 de puncte + 10 din oficiu26 de cerințe

Rezolvați subiectele din ariile tematice A. Mecanică și B. Elemente de termodinamică. Se acordă zece puncte din oficiu. Timpul de lucru efectiv este de trei ore. Se consideră accelerația gravitațională g = 10 m/s², numărul lui Avogadro N_A = 6,02·10²³ mol⁻¹ și constanta gazelor ideale R = 8,31 J·mol⁻¹·K⁻¹.

Varianta oficială

Unele cerințe se referă la o figură, un grafic sau o hartă. Le găsești în paginile subiectului oficial.

Pagina 1 din BAC Fizică (Mecanică + Termodinamică) - iunie 2025 (Varianta 1)Pagina 2 din BAC Fizică (Mecanică + Termodinamică) - iunie 2025 (Varianta 1)

A. Mecanică · Subiectul I

A. Mecanică · I.13 puncte

Conform legii lui Hooke, dacă forța deformatoare aplicată unui fir elastic se dublează, atunci alungirea firului:

a. rămâne aceeași

b. se dublează

c. se înjumătățește

d. devine de 4 ori mai mare

Rezolvare

Legea lui Hooke leagă forța deformatoare de alungire printr-o relație de proporționalitate directă: F=kΔℓF = k \Delta \ell, unde kk este constanta elastică a firului. Dacă FF se dublează iar kk rămâne aceeași (același fir, în domeniul elastic), atunci Δℓ\Delta \ell se dublează. Răspunsul corect este b.

Barem

Item grilă: efectul dublării forței deformatoare asupra alungirii unui fir elastic (a. rămâne aceeași, b. se dublează, c. se înjumătățește, d. devine de 4 ori mai mare). Barem: 3 puncte pentru litera b (legea lui Hooke este liniară: F = k·Δℓ). Fără punctaj parțial.

Învață lecția: Tipuri de forțe
A. Mecanică · I.23 puncte

Simbolurile mărimilor fizice fiind cele utilizate în manuale, vectorul accelerație medie este definit prin relația:

a. a⃗m=Δv⃗Δt\vec{a}_m = \frac{\Delta \vec{v}}{\Delta t}

b. a⃗m=Δv⃗Δx\vec{a}_m = \frac{\Delta \vec{v}}{\Delta x}

c. a⃗m=ΔF⃗Δt\vec{a}_m = \frac{\Delta \vec{F}}{\Delta t}

d. a⃗m=ΔF⃗Δx\vec{a}_m = \frac{\Delta \vec{F}}{\Delta x}

Rezolvare

Accelerația medie este prin definiție variația vitezei raportată la intervalul de timp în care se produce: a⃗m=Δv⃗Δt\vec{a}_m = \frac{\Delta \vec{v}}{\Delta t}. Variantele c și d se elimină imediat prin analiză dimensională - ele conțin o forță, deci nu pot da o accelerație (m/s2\text{m/s}^2), iar varianta b împarte la o distanță, nu la un timp. Răspunsul corect este a.

Barem

Item grilă: definiția vectorului accelerație medie (a. Δv/Δt, b. Δv/Δx, c. ΔF/Δt, d. ΔF/Δx). Barem: 3 puncte pentru litera a. Fără punctaj parțial.

Învață lecția: Principiile mecanicii
A. Mecanică · I.33 puncte

Viteza vv a unui mobil depinde de coordonata xx conform relației v=αx+βv = \alpha x + \beta, unde α\alpha și β\beta sunt două constante. Unitatea de măsură în S.I. a raportului β/α\beta / \alpha este:

a. m/s\text{m/s}

b. s\text{s}

c. m\text{m}

d. m/s2\text{m/s}^2

Rezolvare

Într-o sumă, toți termenii au unitatea membrului stâng, deci [β]=[v]=m/s[\beta] = [v] = \text{m/s} și [αx]=m/s[\alpha x] = \text{m/s}, de unde [α]=m/sm=s−1[\alpha] = \frac{\text{m/s}}{\text{m}} = \text{s}^{-1}. Atunci

[βα]=m/ss−1=m.\left[\frac{\beta}{\alpha}\right] = \frac{\text{m/s}}{\text{s}^{-1}} = \text{m}.

Răspunsul corect este c. Reține metoda: într-o relație fizică se adună numai mărimi cu aceeași unitate, iar asta este suficient pentru a determina unitatea oricărei constante din relație.

Barem

Item grilă de analiză dimensională: v = αx + β, se cere unitatea S.I. a raportului β/α (a. m/s, b. s, c. m, d. m/s²). Barem: 3 puncte pentru litera c. Fără punctaj parțial.

Învață lecția: Principiile mecanicii
A. Mecanică · I.43 puncte

Motorul unui autoturism dezvoltă puterea P=25 kWP = 25\,\text{kW}. În momentul în care forța de tracțiune are valoarea F=1000 NF = 1000\,\text{N}, viteza autoturismului este:

a. 25 km/h25\,\text{km/h}

b. 50 km/h50\,\text{km/h}

c. 90 km/h90\,\text{km/h}

d. 250 km/h250\,\text{km/h}

Rezolvare

Puterea dezvoltată de o forță constantă care acționează în sensul mișcării este P=FvP = F v, deci

v=PF=25⋅1031000=25 m/s.v = \frac{P}{F} = \frac{25 \cdot 10^3}{1000} = 25\,\text{m/s}.

Transformarea în km/h se face înmulțind cu 3,63{,}6: 25⋅3,6=90 km/h25 \cdot 3{,}6 = 90\,\text{km/h}. Răspunsul corect este c.

Barem

Item grilă: viteza unui autoturism din P = 25 kW și F = 1000 N (a. 25 km/h, b. 50 km/h, c. 90 km/h, d. 250 km/h). Barem: 3 puncte pentru litera c (v = P/F = 25 m/s = 90 km/h). Fără punctaj parțial.

Învață lecția: Lucrul mecanic și energia cinetică
A. Mecanică · I.53 puncte

Un corp de dimensiuni neglijabile se deplasează de-a lungul axei OxOx. Dependența de timp a coordonatei corpului este reprezentată în graficul din figura din subiect: coordonata crește liniar cu 2 m2\,\text{m} la fiecare 2 s2\,\text{s}. Viteza corpului este:

a. 1 m/s1\,\text{m/s}

b. 2 m/s2\,\text{m/s}

c. 4 m/s4\,\text{m/s}

d. 6 m/s6\,\text{m/s}

Rezolvare

Graficul x(t)x(t) este o dreaptă, deci mișcarea este rectilinie uniformă și viteza este constantă, egală cu panta dreptei:

v=ΔxΔt.v = \frac{\Delta x}{\Delta t}.

Citind pe grafic o creștere de 2 m2\,\text{m} într-un interval de 2 s2\,\text{s}, rezultă v=1 m/sv = 1\,\text{m/s}. Răspunsul corect este a. Atenție la capcana obișnuită: valoarea coordonatei la un moment dat nu este viteza - viteza este panta, adică raportul dintre două variații.

Barem

Item grilă cu grafic x(t): se cere viteza corpului (a. 1 m/s, b. 2 m/s, c. 4 m/s, d. 6 m/s). Barem: 3 puncte pentru litera a. Graficul este o dreaptă, deci mișcarea este rectilinie uniformă și viteza este panta dreptei. Fără punctaj parțial.

Învață lecția: Principiile mecanicii

A. Mecanică · Subiectul al II-lea

Sistemul mecanic din figura din subiect este format din două corpuri cu masele m1=2 kgm_1 = 2\,\text{kg} și m2=1 kgm_2 = 1\,\text{kg}, aflate pe aceeași suprafață orizontală. Corpurile sunt legate printr-un fir inextensibil și de masă neglijabilă: firul pleacă de la corpul m1m_1, trece pe deasupra corpului m2m_2 până la scripetele fără frecări și lipsit de inerție fixat la capătul din dreapta al suprafeței, se întoarce paralel cu sine și se leagă de corpul m2m_2 - deci ambele ramuri ale firului sunt orizontale și paralele. Sub acțiunea forței orizontale F=8 NF = 8\,\text{N}, orientată în sens opus scripetelui, corpul de masă m1m_1 se deplasează cu viteză constantă. Coeficientul de frecare la alunecare dintre corpul de masă m1m_1 și suprafața orizontală este μ1=0,1\mu_1 = 0{,}1. Se consideră g=10 m/s2g = 10\,\text{m/s}^2.

A. Mecanică · II.a4 puncte

Reprezentați forțele care acționează asupra corpului de masă m1m_1.

Rezolvare

Asupra corpului de masă m1m_1 acționează patru forțe orizontale și verticale: greutatea m1g⃗m_1 \vec{g} (vertical în jos), reacțiunea normală N⃗1\vec{N}_1 din partea suprafeței (vertical în sus), forța F⃗\vec{F} (orizontală, în sensul mișcării), tensiunea din fir T⃗\vec{T} (orizontală, orientată spre scripete, deci opusă lui F⃗\vec{F}) și forța de frecare la alunecare F⃗f1\vec{F}_{f1} (orizontală, opusă sensului mișcării).

Corpul se mișcă cu viteză constantă, deci este în echilibru: pe verticală N1=m1gN_1 = m_1 g, iar pe orizontală F=T+Ff1F = T + F_{f1}.

Barem

Problemă de mecanică: două corpuri (m1 = 2 kg, m2 = 1 kg) legate printr-un fir trecut peste un scripete, ambele pe suprafețe orizontale, m1 tras de F = 8 N orizontal cu viteză constantă, μ1 = 0,1. Cerința a: reprezentarea forțelor care acționează asupra corpului m1. Barem: 4 puncte pentru reprezentarea corectă a tuturor forțelor - greutatea m1·g (vertical în jos), reacțiunea normală N1 (vertical în sus), forța F (orizontală, în sensul mișcării), tensiunea din fir T (orizontală, spre scripete) și forța de frecare Ff1 (orizontală, opusă mișcării).

Învață lecția: Principiile mecanicii
A. Mecanică · II.b4 puncte

Calculați valoarea tensiunii din fir.

Rezolvare

Corpul m1m_1 se deplasează cu viteză constantă, deci accelerația este nulă și forța rezultantă care acționează asupra lui este nulă. Pe direcția mișcării:

F−T−Ff1=0.F - T - F_{f1} = 0.

Forța de frecare la alunecare este Ff1=μ1N1F_{f1} = \mu_1 N_1, iar pe verticală N1=m1g=2⋅10=20 NN_1 = m_1 g = 2 \cdot 10 = 20\,\text{N}, deci Ff1=0,1⋅20=2 NF_{f1} = 0{,}1 \cdot 20 = 2\,\text{N}.

Rezultă

T=F−Ff1=8−2=6 N.T = F - F_{f1} = 8 - 2 = 6\,\text{N}.

Barem

Aceeași problemă (m1 = 2 kg tras de F = 8 N cu viteză constantă, μ1 = 0,1, m2 = 1 kg legat prin fir peste scripete). Cerința b: valoarea tensiunii din fir. Barem: 1 punct pentru F - T - Ff1 = 0, 1 punct pentru Ff1 = μ1·N1, 1 punct pentru N1 = m1·g, 1 punct pentru rezultatul final T = 6 N.

Învață lecția: Tipuri de forțe
A. Mecanică · II.c4 puncte

Calculați valoarea coeficientului de frecare la alunecare dintre corpul de masă m2m_2 și suprafața orizontală.

Rezolvare

Firul este inextensibil, deci corpul m2m_2 se mișcă tot cu viteză constantă și este și el în echilibru. Singurele forțe orizontale care acționează asupra lui sunt tensiunea din fir și frecarea:

T−Ff2=0  ⇒  Ff2=T=6 N.T - F_{f2} = 0 \;\Rightarrow\; F_{f2} = T = 6\,\text{N}.

Cum Ff2=μ2N2F_{f2} = \mu_2 N_2 și N2=m2g=1⋅10=10 NN_2 = m_2 g = 1 \cdot 10 = 10\,\text{N}, rezultă

μ2=Ff2N2=610=0,6.\mu_2 = \frac{F_{f2}}{N_2} = \frac{6}{10} = 0{,}6.

Barem

Aceeași problemă. Cerința c: coeficientul de frecare dintre m2 și suprafața orizontală. Barem: 1 punct pentru T - Ff2 = 0, 1 punct pentru Ff2 = μ2·N2, 1 punct pentru N2 = m2·g, 1 punct pentru rezultatul final μ2 = 0,6.

Învață lecția: Tipuri de forțe
A. Mecanică · II.d3 puncte

Calculați valoarea reacțiunii din axul scripetelui.

Rezolvare

Scripetele este lipsit de inerție și fără frecări, deci tensiunea are aceeași valoare TT pe ambele ramuri ale firului. Cele două ramuri sunt orizontale și paralele (firul se întoarce cu 180°180° peste scripete), deci cele două tensiuni care trag de scripete au același sens și se adună:

Fs=2T=2⋅6=12 N.F_s = 2T = 2 \cdot 6 = 12\,\text{N}.

Atenție: factorul 2 apare doar pentru că ramurile sunt paralele. Dacă ramurile ar fi perpendiculare, reacțiunea ar fi T2T\sqrt{2} - reacțiunea din ax este întotdeauna suma vectorială a celor două tensiuni.

Barem

Aceeași problemă. Cerința d: reacțiunea din axul scripetelui. Barem: 2 puncte pentru Fs = 2T (cele două ramuri ale firului sunt orizontale și paralele, iar firul se întoarce cu 180° peste scripete), 1 punct pentru rezultatul final Fs = 12 N.

Învață lecția: Principiile mecanicii

A. Mecanică · Subiectul al III-lea

Un corp având masa m=50 gm = 50\,\text{g}, considerat punctiform, este suspendat la un capăt al unui fir inextensibil și de masă neglijabilă, având lungimea ℓ=1,0 m\ell = 1{,}0\,\text{m}. Celălalt capăt al firului este fixat într-un punct OO aflat la înălțimea H=3,8 mH = 3{,}8\,\text{m} față de sol. Corpul este eliberat, din repaus, din punctul AA în care firul întins formează cu verticala unghiul α≅53°\alpha \cong 53° (sin⁡α=0,8\sin \alpha = 0{,}8). Când corpul ajunge în punctul BB, în care firul formează cu verticala unghiul β≅37°\beta \cong 37° (sin⁡β=0,6\sin \beta = 0{,}6), firul se rupe, iar corpul își continuă mișcarea până la căderea pe suprafața orizontală a solului. Se neglijează frecările și interacțiunea cu aerul, iar energia potențială gravitațională este considerată nulă la nivelul solului. Se consideră g=10 m/s2g = 10\,\text{m/s}^2.

A. Mecanică · III.a4 puncte

Calculați energia mecanică a corpului în punctul AA.

Rezolvare

Corpul este eliberat din repaus, deci energia cinetică în AA este nulă și energia mecanică se reduce la energia potențială gravitațională:

EA=EpA=mghA.E_A = E_{pA} = m g h_A.

Înălțimea punctului AA față de sol se obține coborând pe verticală din punctul de suspensie OO: hA=H−ℓcos⁡αh_A = H - \ell \cos \alpha. Din sin⁡α=0,8\sin \alpha = 0{,}8 rezultă cos⁡α=0,6\cos \alpha = 0{,}6, deci

hA=3,8−1,0⋅0,6=3,2 m.h_A = 3{,}8 - 1{,}0 \cdot 0{,}6 = 3{,}2\,\text{m}.

Cu m=50 g=0,05 kgm = 50\,\text{g} = 0{,}05\,\text{kg}:

EA=0,05⋅10⋅3,2=1,6 J.E_A = 0{,}05 \cdot 10 \cdot 3{,}2 = 1{,}6\,\text{J}.

Barem

Problemă de mecanică: pendul gravitațional, m = 50 g, ℓ = 1,0 m, punctul de suspensie O la H = 3,8 m față de sol, eliberat din repaus din A (unghiul cu verticala 53°, sin = 0,8). Cerința a: energia mecanică în A. Barem: 1 punct pentru EA = EpA (corpul pleacă din repaus), 1 punct pentru EpA = m·g·hA, 1 punct pentru hA = H - ℓ·cos α, 1 punct pentru rezultatul final EA = 1,6 J.

Învață lecția: Energia potențială și conservarea energiei
A. Mecanică · III.b3 puncte

Calculați lucrul mecanic efectuat de greutate în timpul deplasării corpului din AA în BB.

Rezolvare

Greutatea este o forță conservativă, iar lucrul ei mecanic depinde numai de diferența de înălțime dintre capetele drumului:

LG=mg(hA−hB).L_G = m g (h_A - h_B).

Din sin⁡β=0,6\sin \beta = 0{,}6 rezultă cos⁡β=0,8\cos \beta = 0{,}8, deci hB=H−ℓcos⁡β=3,8−0,8=3,0 mh_B = H - \ell \cos \beta = 3{,}8 - 0{,}8 = 3{,}0\,\text{m}. Atunci

LG=0,05⋅10⋅(3,2−3,0)=0,05⋅10⋅0,2=0,1 J.L_G = 0{,}05 \cdot 10 \cdot (3{,}2 - 3{,}0) = 0{,}05 \cdot 10 \cdot 0{,}2 = 0{,}1\,\text{J}.

Lucrul este pozitiv pentru că corpul coboară - greutatea acționează în sensul deplasării pe verticală.

Barem

Aceeași problemă (pendul, m = 50 g, ℓ = 1,0 m, H = 3,8 m, din A la 53° până în B la 37°). Cerința b: lucrul mecanic al greutății pe drumul A → B. Barem: 1 punct pentru LG = m·g·(hA - hB), 1 punct pentru hB = H - ℓ·cos β, 1 punct pentru rezultatul final LG = 0,1 J.

Învață lecția: Lucrul mecanic și energia cinetică
A. Mecanică · III.c4 puncte

Calculați valoarea vitezei corpului la trecerea prin punctul BB.

Rezolvare

Teorema variației energiei cinetice pe drumul A→BA \to B:

EcB−EcA=Ltotal A→B.E_{cB} - E_{cA} = L_{\text{total}\,A \to B}.

Asupra corpului acționează doar greutatea și tensiunea din fir. Tensiunea este permanent perpendiculară pe viteză (firul este inextensibil, corpul se mișcă pe un arc de cerc), deci nu efectuează lucru mecanic, iar frecările se neglijează: Ltotal=LG=0,1 JL_{\text{total}} = L_G = 0{,}1\,\text{J}. Cum corpul pleacă din repaus, EcA=0E_{cA} = 0 și

mvB22=LG  ⇒  vB=2LGm=2⋅0,10,05=4=2 m/s.\frac{m v_B^2}{2} = L_G \;\Rightarrow\; v_B = \sqrt{\frac{2 L_G}{m}} = \sqrt{\frac{2 \cdot 0{,}1}{0{,}05}} = \sqrt{4} = 2\,\text{m/s}.

Barem

Aceeași problemă. Cerința c: viteza în B. Barem: 1 punct pentru EcB - EcA = Ltotal(A→B), 1 punct pentru Ltotal(A→B) = LG (tensiunea din fir nu efectuează lucru mecanic, frecările se neglijează), 1 punct pentru EcB = m·vB²/2, 1 punct pentru rezultatul final vB = 2 m/s.

Învață lecția: Lucrul mecanic și energia cinetică
A. Mecanică · III.d4 puncte

Calculați valoarea impulsului mecanic al corpului în momentul imediat anterior atingerii solului.

Rezolvare

După ruperea firului corpul se mișcă liber în câmp gravitațional, iar frecările se neglijează, deci energia mecanică se conservă între BB (la înălțimea hBh_B, cu viteza vBv_B) și punctul CC de pe sol (unde Ep=0E_p = 0):

mvC22=mghB+mvB22.\frac{m v_C^2}{2} = m g h_B + \frac{m v_B^2}{2}.

Masa se simplifică:

vC2=2ghB+vB2=2⋅10⋅3,0+22=64  ⇒  vC=8 m/s.v_C^2 = 2 g h_B + v_B^2 = 2 \cdot 10 \cdot 3{,}0 + 2^2 = 64 \;\Rightarrow\; v_C = 8\,\text{m/s}.

Impulsul este

pC=mvC=0,05⋅8=0,4 kg⋅m/s.p_C = m v_C = 0{,}05 \cdot 8 = 0{,}4\,\text{kg} \cdot \text{m/s}.

Observă că nu a fost nevoie să descompui mișcarea de după rupere în componente - conservarea energiei dă direct valoarea vitezei, indiferent de direcția ei.

Barem

Aceeași problemă. Cerința d: impulsul corpului imediat înainte de atingerea solului, după ruperea firului în B. Barem: 1 punct pentru pC = m·vC, 2 puncte pentru m·vC²/2 = m·g·hB + m·vB²/2 (conservarea energiei mecanice pe traiectoria de după rupere), 1 punct pentru rezultatul final pC = 0,4 kg·m/s.

Învață lecția: Impulsul mecanic și ciocnirile

B. Termodinamică · Subiectul I

B. Termodinamică · I.13 puncte

Mărimea fizică definită prin raportul dintre căldura primită de un corp și variația temperaturii acestuia este:

a. căldura molară

b. căldura specifică

c. capacitatea calorică

d. puterea calorică

Rezolvare

Capacitatea calorică a unui corp este prin definiție C=QΔTC = \frac{Q}{\Delta T} - căldura schimbată pentru fiecare kelvin de variație a temperaturii, și se măsoară în J/K\text{J/K}. Celelalte trei mărimi raportează în plus la o cantitate de substanță: căldura specifică la masă (c=QmΔTc = \frac{Q}{m \Delta T}), căldura molară la numărul de moli (Cμ=QνΔTC_\mu = \frac{Q}{\nu \Delta T}), iar puterea calorică este cu totul altceva (căldura degajată prin arderea unității de masă de combustibil). Răspunsul corect este c.

Barem

Item grilă: mărimea definită prin raportul dintre căldura primită și variația temperaturii (a. căldura molară, b. căldura specifică, c. capacitatea calorică, d. puterea calorică). Barem: 3 puncte pentru litera c. Fără punctaj parțial.

Învață lecția: Noțiuni fundamentale de termodinamică
B. Termodinamică · I.23 puncte

Simbolurile mărimilor fizice fiind cele utilizate în manualele de fizică, randamentul ciclului Carnot este dat de relația:

a. η=TcaldTrece\eta = \frac{T_{cald}}{T_{rece}}

b. η=TreceTcald\eta = \frac{T_{rece}}{T_{cald}}

c. η=1−TcaldTrece\eta = 1 - \frac{T_{cald}}{T_{rece}}

d. η=1−TreceTcald\eta = 1 - \frac{T_{rece}}{T_{cald}}

Rezolvare

Randamentul ciclului Carnot depinde numai de temperaturile absolute ale celor două surse:

ηC=1−TreceTcald.\eta_C = 1 - \frac{T_{rece}}{T_{cald}}.

Variantele a și b se elimină imediat: un randament trebuie să fie subunitar, iar un simplu raport de temperaturi poate depăși 1 (varianta a) sau nu poate fi niciodată zero. Varianta c ar da un randament negativ, pentru că Tcald>TreceT_{cald} > T_{rece}. Răspunsul corect este d.

Barem

Item grilă: expresia randamentului ciclului Carnot. Barem: 3 puncte pentru litera d (η = 1 - T_rece/T_cald). Fără punctaj parțial.

Învață lecția: Principiul II al termodinamicii și ciclul Carnot
B. Termodinamică · I.33 puncte

Unitatea de măsură în S.I. a căldurii specifice este:

a. J⋅kg−1\text{J} \cdot \text{kg}^{-1}

b. J⋅mol−1\text{J} \cdot \text{mol}^{-1}

c. J⋅kg−1⋅K−1\text{J} \cdot \text{kg}^{-1} \cdot \text{K}^{-1}

d. J⋅K−1\text{J} \cdot \text{K}^{-1}

Rezolvare

Căldura specifică este definită prin c=QmΔTc = \frac{Q}{m \Delta T}, deci unitatea ei este

[c]SI=Jkg⋅K=J⋅kg−1⋅K−1.[c]_{SI} = \frac{\text{J}}{\text{kg} \cdot \text{K}} = \text{J} \cdot \text{kg}^{-1} \cdot \text{K}^{-1}.

Varianta d este unitatea capacității calorice, iar varianta b se apropie de cea a căldurii molare (căreia îi lipsește tot K−1\text{K}^{-1}). Răspunsul corect este c.

Barem

Item grilă: unitatea de măsură în S.I. a căldurii specifice. Barem: 3 puncte pentru litera c (J·kg⁻¹·K⁻¹). Fără punctaj parțial.

Învață lecția: Noțiuni fundamentale de termodinamică
B. Termodinamică · I.43 puncte

O cantitate constantă de gaz ideal este supusă procesului termodinamic 1→2→3→41 \to 2 \to 3 \to 4 reprezentat grafic în coordonate presiune-temperatură ca în figura din subiect. Volumul minim ocupat de gaz pe parcursul acestui proces corespunde stării:

a. 1

b. 2

c. 3

d. 4

Rezolvare

Din ecuația termică de stare, volumul se citește în coordonate p−Tp - T ca

V=νRTp.V = \frac{\nu R T}{p}.

Așadar volumul este proporțional cu raportul Tp\frac{T}{p}: fiecare izocoră este o dreaptă prin origine în diagrama p−Tp - T, iar cu cât panta ei este mai mare (presiune mare la temperatură mică), cu atât volumul este mai mic. Volumul minim corespunde stării aflate pe dreapta prin origine cea mai abruptă, adică starea 1. Răspunsul corect este a.

Barem

Item grilă cu grafic p-T: se cere starea de volum minim dintr-un proces 1→2→3→4 al unei cantități constante de gaz ideal. Barem: 3 puncte pentru litera a (starea 1). În coordonate p-T, V = νRT/p, deci volumul este cu atât mai mic cu cât raportul T/p este mai mic, adică cu cât punctul se află pe o dreaptă prin origine de pantă mai mică. Fără punctaj parțial.

Învață lecția: Transformările gazului ideal
B. Termodinamică · I.53 puncte

Într-un vas izolat adiabatic se amestecă o masă m1=2 kgm_1 = 2\,\text{kg} de apă, aflată la temperatura t1=80°Ct_1 = 80°\text{C}, cu o masă m2=3 kgm_2 = 3\,\text{kg} de apă aflată la temperatura t2=10°Ct_2 = 10°\text{C}. Temperatura amestecului, după atingerea stării de echilibru termic, este:

a. 35°C35°\text{C}

b. 38°C38°\text{C}

c. 45°C45°\text{C}

d. 48°C48°\text{C}

Rezolvare

Vasul este izolat adiabatic, deci căldura cedată de apa caldă este primită integral de apa rece:

m1c(t1−t)=m2c(t−t2).m_1 c (t_1 - t) = m_2 c (t - t_2).

Căldura specifică cc se simplifică (este aceeași substanță), iar temperatura de echilibru este media ponderată cu masele:

t=m1t1+m2t2m1+m2=2⋅80+3⋅105=1905=38°C.t = \frac{m_1 t_1 + m_2 t_2}{m_1 + m_2} = \frac{2 \cdot 80 + 3 \cdot 10}{5} = \frac{190}{5} = 38°\text{C}.

Răspunsul corect este b. Verificarea rapidă: temperatura finală trebuie să fie mai apropiată de 10°C10°\text{C} decât de 80°C80°\text{C}, pentru că apa rece este mai multă - asta elimină singură variantele c și d.

Barem

Item grilă de calorimetrie: amestec de 2 kg apă la 80°C cu 3 kg apă la 10°C într-un vas izolat adiabatic (a. 35°C, b. 38°C, c. 45°C, d. 48°C). Barem: 3 puncte pentru litera b (38°C). Fără punctaj parțial.

Învață lecția: Noțiuni fundamentale de termodinamică

B. Termodinamică · Subiectul al II-lea

În interiorul unui cilindru este închisă, cu ajutorul unui piston, o cantitate ν1=2,0 mol\nu_1 = 2{,}0\,\text{mol} de oxigen (μ1=32 g/mol\mu_1 = 32\,\text{g/mol}, CV1=2,5RC_{V_1} = 2{,}5R) la temperatura T=300 KT = 300\,\text{K} și presiunea p=1,5⋅105 Pap = 1{,}5 \cdot 10^5\,\text{Pa}. Ulterior în interiorul cilindrului se mai introduce lent o cantitate de heliu (μ2=4,0 g/mol\mu_2 = 4{,}0\,\text{g/mol}, CV2=1,5RC_{V_2} = 1{,}5R) având temperatura T=300 KT = 300\,\text{K}, până când volumul total ocupat de amestecul gazos din cilindru se dublează. În timpul acestui proces, prin deplasarea pistonului, presiunea amestecului aflat la temperatura T=300 KT = 300\,\text{K} este menținută constantă, la valoarea p=1,5⋅105 Pap = 1{,}5 \cdot 10^5\,\text{Pa}. Atât oxigenul cât și heliul sunt considerate gaze ideale.

B. Termodinamică · II.a4 puncte

Calculați masa de oxigen din tubul cilindric.

Rezolvare

Cantitatea de substanță se leagă de masă prin masa molară:

ν1=m1μ1  ⇒  m1=ν1μ1=2,0⋅32=64 g=6,4⋅10−2 kg.\nu_1 = \frac{m_1}{\mu_1} \;\Rightarrow\; m_1 = \nu_1 \mu_1 = 2{,}0 \cdot 32 = 64\,\text{g} = 6{,}4 \cdot 10^{-2}\,\text{kg}.

Barem

Problemă de termodinamică: ν1 = 2,0 mol oxigen (μ1 = 32 g/mol, Cv1 = 2,5R) la T = 300 K și p = 1,5·10⁵ Pa, peste care se introduce heliu (μ2 = 4,0 g/mol, Cv2 = 1,5R) la aceeași temperatură, izobar, până când volumul se dublează. Cerința a: masa de oxigen. Barem: 3 puncte pentru ν1 = m1/μ1, 1 punct pentru rezultatul final m1 = 64 g.

Învață lecția: Noțiuni fundamentale de termodinamică
B. Termodinamică · II.b4 puncte

Calculați densitatea oxigenului din tub înainte de introducerea heliului.

Rezolvare

Densitatea este ρ1=m1V\rho_1 = \frac{m_1}{V}, iar volumul inițial se obține din ecuația termică de stare scrisă pentru oxigen:

pV=m1μ1RT  ⇒  V=ν1RTp=2,0⋅8,31⋅3001,5⋅105≅3,32⋅10−2 m3.p V = \frac{m_1}{\mu_1} R T \;\Rightarrow\; V = \frac{\nu_1 R T}{p} = \frac{2{,}0 \cdot 8{,}31 \cdot 300}{1{,}5 \cdot 10^5} \cong 3{,}32 \cdot 10^{-2}\,\text{m}^3.

Atunci

ρ1=6,4⋅10−23,32⋅10−2≅1,9 kg/m3.\rho_1 = \frac{6{,}4 \cdot 10^{-2}}{3{,}32 \cdot 10^{-2}} \cong 1{,}9\,\text{kg/m}^3.

Echivalent, combinând direct cele două relații: ρ=pμRT\rho = \frac{p \mu}{R T} - o formă utilă de reținut, pentru că arată că densitatea unui gaz ideal depinde numai de presiune, temperatură și masa molară.

Barem

Aceeași problemă. Cerința b: densitatea oxigenului înainte de introducerea heliului. Barem: 2 puncte pentru ρ1 = m1/V, 1 punct pentru p·V = (m1/μ1)·R·T, 1 punct pentru rezultatul final ρ1 ≈ 1,9 kg/m³.

Învață lecția: Noțiuni fundamentale de termodinamică
B. Termodinamică · II.c3 puncte

Calculați cantitatea de heliu introdusă suplimentar în interiorul tubului cilindric.

Rezolvare

Introducerea heliului se face la presiune și temperatură constante, deci putem scrie ecuația de stare înainte și după:

pV=ν1RT,p⋅2V=(ν1+ν2)RT.p V = \nu_1 R T, \qquad p \cdot 2V = (\nu_1 + \nu_2) R T.

Împărțind a doua relație la prima:

2=ν1+ν2ν1  ⇒  ν2=ν1=2 mol.2 = \frac{\nu_1 + \nu_2}{\nu_1} \;\Rightarrow\; \nu_2 = \nu_1 = 2\,\text{mol}.

La pp și TT fixate, volumul unui gaz ideal este proporțional cu numărul de moli (legea lui Avogadro), deci dublarea volumului cere dublarea cantității totale de substanță - indiferent ce gaz se adaugă.

Barem

Aceeași problemă. Cerința c: cantitatea (numărul de moli) de heliu introdusă. Barem: 1 punct pentru p·V = ν1·R·T, 1 punct pentru p·2V = (ν1 + ν2)·R·T, 1 punct pentru rezultatul final ν2 = 2 mol.

Învață lecția: Transformările gazului ideal
B. Termodinamică · II.d4 puncte

Calculați energia internă a amestecului gazos după introducerea suplimentară a heliului.

Rezolvare

Energia internă a unui amestec de gaze ideale este suma energiilor interne ale componentelor, fiecare calculată la temperatura comună TT:

U=U1+U2=ν1CV1T+ν2CV2T.U = U_1 + U_2 = \nu_1 C_{V_1} T + \nu_2 C_{V_2} T.

Cu CV1=2,5RC_{V_1} = 2{,}5R și CV2=1,5RC_{V_2} = 1{,}5R:

U=(2⋅2,5+2⋅1,5)⋅8,31⋅300=8⋅8,31⋅300≅2⋅104 J.U = (2 \cdot 2{,}5 + 2 \cdot 1{,}5) \cdot 8{,}31 \cdot 300 = 8 \cdot 8{,}31 \cdot 300 \cong 2 \cdot 10^4\,\text{J}.

Observă că energia internă a gazului ideal depinde numai de temperatură (și de cantitate), nu și de presiune sau volum - de aceea dublarea volumului nu apare deloc în calcul.

Barem

Aceeași problemă. Cerința d: energia internă a amestecului. Barem: 1 punct pentru U = U1 + U2, 1 punct pentru U1 = ν1·Cv1·T, 1 punct pentru U2 = ν2·Cv2·T, 1 punct pentru rezultatul final U ≈ 2·10⁴ J.

Învață lecția: Principiul I al termodinamicii

B. Termodinamică · Subiectul al III-lea

O cantitate ν=28,31 mol≅0,24 mol\nu = \frac{2}{8{,}31}\,\text{mol} \cong 0{,}24\,\text{mol} de gaz ideal monoatomic, având căldura molară la volum constant CV=1,5RC_V = 1{,}5R, parcurge transformarea ciclică 1→2→3→11 \to 2 \to 3 \to 1 reprezentată în coordonate presiune-volum în figura din subiect: 1→21 \to 2 este o izocoră la volumul V1V_1 în care presiunea crește de la p1p_1 la p2=2p1p_2 = 2p_1, 2→32 \to 3 este o izobară la presiunea 2p12p_1 în care volumul crește de la V1V_1 la 2V12V_1, iar 3→13 \to 1 este un segment de dreaptă care trece prin origine. În starea 1 temperatura gazului are valoarea T1=300 KT_1 = 300\,\text{K}.

B. Termodinamică · III.a4 puncte

Calculați variația energiei interne a gazului în transformarea 3→13 \to 1.

Rezolvare

Energia internă a gazului ideal este funcție numai de temperatură, deci

ΔU31=νCV(T1−T3).\Delta U_{31} = \nu C_V (T_1 - T_3).

Temperatura stării 3 se obține din ecuația de stare, comparând starea 3 (2p12p_1, 2V12V_1) cu starea 1 (p1p_1, V1V_1):

p3V3T3=p1V1T1  ⇒  T3=2p1⋅2V1p1V1T1=4T1=1200 K.\frac{p_3 V_3}{T_3} = \frac{p_1 V_1}{T_1} \;\Rightarrow\; T_3 = \frac{2p_1 \cdot 2V_1}{p_1 V_1} T_1 = 4 T_1 = 1200\,\text{K}.

Cu νR=2 J/K\nu R = 2\,\text{J/K} (din ν=28,31 mol\nu = \frac{2}{8{,}31}\,\text{mol}):

ΔU31=1,5⋅νR⋅(300−1200)=1,5⋅2⋅(−900)=−2,7⋅103 J.\Delta U_{31} = 1{,}5 \cdot \nu R \cdot (300 - 1200) = 1{,}5 \cdot 2 \cdot (-900) = -2{,}7 \cdot 10^3\,\text{J}.

Semnul negativ arată că gazul se răcește pe drumul 3→13 \to 1.

Barem

Problemă de termodinamică: ν = 2/8,31 mol gaz ideal monoatomic (Cv = 1,5R) parcurge ciclul 1→2→3→1 în coordonate p-V (1→2 izocoră cu p2 = 2p1, 2→3 izobară cu V3 = 2V1, 3→1 segment de dreaptă), T1 = 300 K. Cerința a: variația energiei interne în 3→1. Barem: 1 punct pentru ΔU31 = ν·Cv·(T1 - T3), 1 punct pentru p2 = 2p1, 1 punct pentru T3 = 4T1, 1 punct pentru rezultatul final ΔU31 = -2,7·10³ J.

Învață lecția: Principiul I al termodinamicii
B. Termodinamică · III.b4 puncte

Calculați lucrul mecanic total schimbat de gaz cu mediul exterior pe parcursul unui ciclu.

Rezolvare

În coordonate p−Vp - V, lucrul mecanic schimbat pe un ciclu este aria închisă de ciclu. Ciclul este un triunghi cu vârfurile (V1,p1)(V_1, p_1), (V1,2p1)(V_1, 2p_1) și (2V1,2p1)(2V_1, 2p_1), deci

L=(2V1−V1)(2p1−p1)2=p1V12.L = \frac{(2V_1 - V_1)(2p_1 - p_1)}{2} = \frac{p_1 V_1}{2}.

Din ecuația de stare în starea 1, p1V1=νRT1=2⋅300=600 Jp_1 V_1 = \nu R T_1 = 2 \cdot 300 = 600\,\text{J}, deci

L=6002=3⋅102 J.L = \frac{600}{2} = 3 \cdot 10^2\,\text{J}.

Lucrul este pozitiv pentru că ciclul este parcurs în sens orar - gazul funcționează ca un motor.

Barem

Aceeași problemă (ciclul 1→2→3→1). Cerința b: lucrul mecanic total pe ciclu. Barem: 2 puncte pentru L = p1·V1/2 (aria ciclului în coordonate p-V), 1 punct pentru p1·V1 = ν·R·T1, 1 punct pentru rezultatul final L = 3·10² J.

Învață lecția: Principiul I al termodinamicii
B. Termodinamică · III.c4 puncte

Calculați căldura cedată de gaz pe parcursul unui ciclu.

Rezolvare

Pe drumul 3→13 \to 1 gazul se răcește (ΔU31<0\Delta U_{31} < 0) și este comprimat (L31<0L_{31} < 0), deci aceasta este singura transformare a ciclului în care gazul cedează căldură: Qc=Q31Q_c = Q_{31}.

Lucrul mecanic pe segmentul de dreaptă 3→13 \to 1 este aria trapezului de sub el, luată cu semn negativ (volumul scade):

L31=−(2p1+p1)(2V1−V1)2=−1,5 p1V1=−900 J.L_{31} = -\frac{(2p_1 + p_1)(2V_1 - V_1)}{2} = -1{,}5\, p_1 V_1 = -900\,\text{J}.

Principiul întâi al termodinamicii dă

Q31=ΔU31+L31=−2,7⋅103−0,9⋅103=−3,6⋅103 J.Q_{31} = \Delta U_{31} + L_{31} = -2{,}7 \cdot 10^3 - 0{,}9 \cdot 10^3 = -3{,}6 \cdot 10^3\,\text{J}.

Barem

Aceeași problemă. Cerința c: căldura cedată pe ciclu. Barem: 1 punct pentru Qc = Q31 (singura transformare în care gazul cedează căldură), 1 punct pentru Q31 = ΔU31 + L31, 1 punct pentru L31 = -1,5·p1·V1, 1 punct pentru rezultatul final Qc = -3,6·10³ J.

Învață lecția: Principiul I al termodinamicii
B. Termodinamică · III.d3 puncte

Calculați randamentul unui motor termic care ar funcționa după acest ciclu.

Rezolvare

Randamentul este raportul dintre lucrul mecanic util și căldura primită:

η=LQp.\eta = \frac{L}{Q_p}.

Pe un ciclu, energia internă revine la valoarea inițială, deci L=Qp−∣Qc∣L = Q_p - |Q_c|, de unde Qp=L+∣Qc∣=300+3600=3900 JQ_p = L + |Q_c| = 300 + 3600 = 3900\,\text{J}. Atunci

η=3003900=113≅7,7%.\eta = \frac{300}{3900} = \frac{1}{13} \cong 7{,}7\%.

Nu este nevoie să calculezi separat căldurile primite pe 1→21 \to 2 și 2→32 \to 3: bilanțul energetic pe ciclu le înlocuiește pe amândouă.

Barem

Aceeași problemă. Cerința d: randamentul unui motor termic care ar funcționa după acest ciclu. Barem: 1 punct pentru η = L/Qp, 1 punct pentru Qp = L + |Qc|, 1 punct pentru rezultatul final η = 1/13 ≈ 7,7%.

Învață lecția: Motoare termice

Alte subiecte de Fizică

Descarcă

Începe azi. Bacul nu așteaptă.

Descarcă Tomomi pe telefonul copilului tău și pornește perioada de probă gratuită.