Один моль одноатомного идеального газа участвует в процессе 1-2-3-4, график которого изображён на рисунке в координатах , где - давление газа, - объём газа. Опираясь на законы молекулярной физики и термодинамики, объясните, получает или отдаёт газ положительное количество теплоты в процессах 1-2, 2-3 и 3-4.

Решение:
Для анализа теплообмена воспользуемся первым началом термодинамики: где - изменение внутренней энергии, - работа газа.
Внутренняя энергия одноатомного идеального газа определяется выражением: где - количество вещества, - температура газа.
Связь между макроскопическими параметрами газа задаётся уравнением Менделеева-Клапейрона: где - давление газа.
Процесс 1-2. На графике видно, что объём газа не изменяется (), при этом давление падает. Согласно уравнению (3), уменьшение давления при постоянном объёме означает уменьшение температуры (). Из формулы (2) следует, что внутренняя энергия газа убывает (). Так как объём не меняется, работа газа равна нулю (). Подставляя и в (1), получаем . Значит, в этом процессе газ отдаёт теплоту.
Процесс 2-3. Рассмотрим изменение объёма и давления по клеткам графика: и , следовательно, . Из уравнения (3) следует, что при таком соотношении давлений и объёмов температура остаётся постоянной (). Значит, изменение внутренней энергии равно нулю (). Поскольку объём газа увеличивается, газ совершает положительную работу (). Согласно формуле (1), , то есть газ получает положительное количество теплоты.
Процесс 3-4. Давление газа остаётся неизменным (), а объём увеличивается. Из уравнения (3) следует прямая пропорциональность между объёмом и температурой (), поэтому температура растёт (). Это означает, что внутренняя энергия газа увеличивается (). Работа газа определяется изменением объёма. Так как , работа также положительна (). Сумма двух положительных величин () даёт положительное значение теплоты (), следовательно, газ получает теплоту.