Задача 3. Довести співвідношення

Розв’язання. Нехай незалежними змінними будуть параметри
і
. Тоді
та
(1)
З іншого боку, основне рівняння термодинаміки (3.13) можна записати у вигляді
. (2)
Оскільки ми вважаємо:
розписуючи повні диференціали
і підставляючи їх в (2), знайдемо:
(3)
Порівнюючи коефіцієнти в рівностях (1) і (3) при
, отримуємо потрібний результат.
Задача 4. Показати, що теплоємність
газу Ван-дер-Ваальса не залежить від об’єму.
Розв’язання. За визначенням маємо
(1)
Треба довести

Розглянемо співвідношення (3.19):

Диференціюючи його за
при V = const, отримаємо
(2)
Оскільки для 1 моля газу Ван-дер-Ваальса
то для нього
.
Підставляючи цей результат в (2), знаходимо
,
тому й
, що й потрібно було довести.
Задача 5. Визначити рівняння адіабати газу Ван-дер-Ваальса в змінних
.
Розв’язання. Диференціальне рівняння адіабати (2.13) можна записати як
(1)
Використовуючи формулу (3.21) для
, перепишемо (1) у вигляді

або (після очевидних скорочень)
(2)
З рівняння Ван-дер-Ваальса для 1 моля маємо
(3)
Тоді з урахуванням (3) і після розділення змінних рівняння (2) набере вигляду
(4)
Інтегруючи (4), після алгебраїчних перетворень знаходимо

Якщо вважати
, результат спрощується і рівняння адіабати набирає вигляду

Відзначимо, що в наближенні, коли
це рівняння перетворюється на рівняння адіабати ідеального газу.
Задача 6. Яку роботу
здійснює один моль газу Ван-дер-Ваальса при адіабатному процесі, коли його об’єм міняється від
до
? Початкова температура дорівнює
. Вважати 
Розв’язання. З першого начала термодинаміки для адіабатного процесу
маємо
або в розгорненому вигляді:
(1)
Беручи до уваги результати задачі 2 цієї глави, елементарну роботу
, що здійснюється одним молем газу Ван-дер-Ваальса, можна записати як
(2)
Інтегруючи (2), знаходимо шукану роботу

де
кінцева температура. Значення
знайдемо з рівняння адіабати газу Ван-дер-Ваальса (див. попередню задачу), згідно з яким
,
звідки

Задача 7. Два ідеальних гази з фіксованими об’ємами і постійними теплоємностями
і
знаходяться в початкових станах з температурами
і
відповідно. Вони адіабатно ізольовані один від одного. Яку роботу
можна утворити, використовуючи перший газ у ролі джерела тепла, а другий у ролі поглинача до тих пір, доки не встановиться їх однакова температура
? Знайти вираз для
.
Розв’язання. Спочатку визначимо вираз для
. Через адіабатну ізольованість газів зміна їх ентропії
в цілому (при рівноважних процесах утворення шуканої роботи) дорівнюватиме нулю:
(1)
де
і
– зміна ентропій першого і другого газів відповідно від свого початкового стану до стану з температурою
. З формули (3.4) і з урахуванням
знаходимо
(2)
Підставляючи (2) в (1) і інтегруючи, отримаємо

звідки

Потрібну роботу
можна отримати з закону збереження енергії як повне зменшення внутрішньої енергії газів. Дійсно, оскільки
, внутрішня енергія
, віддана першим газом у вигляді теплоти, дорівнюватиме
,
а внутрішня енергія
, отримана другим газом у вигляді теплоти, дорівнюватиме

Отже,
