Негерметичный сосуд с манометром
6/10Юный экспериментатор изучает зависимость давления идеального газа от температуры. Для этого он изготовил сосуд, заполненный воздухом при атмосферном давлении \(P= 10^5\) Па (при таких условиях с хорошей точность можно считать, что воздух — идеальный газ). К сосуду подсоединён манометр, и имеется возможность изменять температуру воздуха внутри сосуда, помещая сосуд в воду. К сожалению, из-за неопытности экспериментатора, установка получилось негерметичной: она выпускает воздух, если разность давлений внутри и снаружи превысит некоторое критическое значение \(\Delta P\). Сначала газ в сосуде медленно нагрели до температуры \(T_1 = 323\) К, затем медленно охладили. При этом давление в сосуде оказалось на \(\Delta P_1 = 3\) кПа меньше атмосферного. Какую разность давлений \(\Delta P_2\) измерит юный экспериментатор, если проделает тот же эксперимент, только нагревая газ до температуры \(T_2 = 353\) К? Начальное давление газа вновь равно атмосферному. Изменением объема сосуда при всех происходящих в эксперименте процессах можно пренебречь.
▶Показать разборСкрыть разбор
ПодсказкаЗапишите уравнения состояния газа для момента, когда утечка прекратилась, и для момента после остывания до комнатной температуры \(T_0\). Затем исключите \(\Delta P\).
Ответ\(\Delta P_2 = P\left(1 - \dfrac{T_1}{T_2}\right) + \Delta P_1\dfrac{T_1}{T_2} = 11{,}2\) кПа.
РешениеЗапишем уравнения состояния для моментов, когда газ находится при температуре \(T_1\) и утечка уже прекратилась, и после остывания: \[(P + \Delta P)V = \nu R T_1, \qquad (P - \Delta P_1)V = \nu R T_0,\] откуда \[\frac{P + \Delta P}{P - \Delta P_1} = \frac{T_1}{T_0}.\] Аналогично для второго случая: \[\frac{P + \Delta P}{P - \Delta P_2} = \frac{T_2}{T_0}.\] Разделив эти соотношения друг на друга, получим уравнение \[\frac{P - \Delta P_2}{P - \Delta P_1} = \frac{T_1}{T_2},\] решая которое, найдём \[\Delta P_2 = P\left(1 - \frac{T_1}{T_2}\right) + \Delta P_1 \frac{T_1}{T_2} = 11{,}2 \text{ кПа}.\]
Комментарий: уж если мы уверяем участника, что можно пренебречь отличием воздуха при условиях задачи от идеального газа, тем более надо его успокоить насчёт более существенных факторов. А то кто-нибудь может попытаться учесть тепловое расширение и далеко не сразу заметить, что для этого чуть-чуть не хватает данных.
Похожие задачи
- Полость в стене ВсОШ 2009/10, 10 кл.
- Откачка сосуда поршневым насосом Ведомственная 2010/11, 11 кл.
- Цилиндр с клапанами МОШ 2014/15, 11 кл.
- Пузырьки в вертикальной трубе СПбГУ 2016/17, 11 кл.
- Пузырьки в вертикальной трубе СПбГУ 2016/17, 9 кл.
- Расширительный бак отопления МОШ 2020/21, 11 кл.