02 Газовые законы
Готовиться с нами - ЛЕГКО!
Ошибка.
Попробуйте повторить позже
Поршень, который может двигаться в горизонтальном цилиндре без трения, делит его объём на две
части. В одной части находится водорода, а в другой –
азота. Температуры газов
одинаковые. Какую часть объёма цилиндра занимает водород? Молярные массы водорода и азота:
,
.
(«Физтех», 2015, 10)
По уравнению Клапейрона–Менделеева для каждого из газов, с учетом того, что поршень уравновешен и давления в каждом из отсеков будут равны:
Так как площадь поперечного сечения сосуда постоянна, то
Ошибка.
Попробуйте повторить позже
Шаровая молния представляет собой слабо светящийся газовый шар, свободно плавающий в воздухе.
Обычно она наблюдается после грозы. Согласно модели Стаханова молния состоит из идеального газа,
представляющего собой комплексное соединение, каждая молекула которого состоит из иона азота
(), связанного с несколькими молекулами воды (
). Температура молнии
. Температура окружающего воздуха
. Сколько молекул воды связывает каждый
ион азота?
(МФТИ, 1981)
Источники:
Так как шаровая молния плавает в воздухе, плотность составляющего её газа равна плотности окружающего воздуха. Давление в молнии также равно атмосферному, т.к. взаимодействия между электрически нейтральными комплексными молекулами нет. Из этого следует, что
Отсюда и из уравнения состояния (уравнения Менделеева-Клапейрона) следует, что
где – молярная масса газа в молнии, а
– молярная масса воздуха. Тогда
Молярная масса атомарного азота равна 14, а воды – 18. Получаем, что ион азота связывает четыре молекулы воды.
Ошибка.
Попробуйте повторить позже
Чему равна масса азота, который содержится в воздухе комнаты объёмом
? Средняя
квадратичная скорость молекул азота
. Считать, что воздух состоит из азота и кислорода.
Концентрация молекул азота в
раза больше концентрации молекул кислорода. Атмосферное
давление
.
(МФТИ, 1998)
Источники:
Атмосферное давление в комнате (по закону Дальтона) равно или
, т.к.
давление прямопропорционально концентрации (основное уравнение МКТ). Откуда парциальное
давление кислорода
. С другой стороны,
, где
– концентрация, а
–
масса молекулы.
Теперь для получим:
Ошибка.
Попробуйте повторить позже
В комнате в вертикально расположенном цилиндре под весомым поршнем, который может
перемещаться без трения, находится молей идеального газа при температуре
. Поршень подвешен
на пружине жёсткостью
. Газ охлаждают так, что в конечном состоянии его давление уменьшается в
раза, а температура уменьшается в
раза. Найдите начальное давление газа. Площадь
поршня равна
.
(МФТИ, 2006)
Источники:
Обозначим начальные значения и
. Изменение давления газа при перемещении поршня
обусловлено только пружиной, т.к. атмосферное давление и вес поршни постоянны. При перемещении
поршня на расстояние
вниз объём уменьшается на
, давление тоже уменьшается на
и
.
Тогда конечные значения:
Ошибка.
Попробуйте повторить позже
Цилиндрический колокол для подводных работ высотой опускается вверх дном с борта
катера на дно водоёма глубиной
. Найти толщину воздушной подушки, образовавшейся у
«потолка» колокола к моменту его касания дна водоёма. Температуру считать постоянной.
(МФТИ, 1992)
Источники:
(См. рис.) . По закону Бойля—Мариотта
(- площадь основания колокола,
атмосферное давление), откуда
и
Ошибка.
Попробуйте повторить позже
Моль гелия нагревается при постоянном объёме так, что относительное увеличение его
давления составило
.
1) На сколько увеличилась температура газа, если его начальная температура ?
2) На сколько атмосфер увеличилось давление газа?
(МФТИ, 1997)
Источники:
Запишем уравнение Менделеева-Клапейрона для начального состояния и найдём
Запишем уравнение Менделеева-Клапейрона для конечного состояния и найдём разность двух уравнений:
Ошибка.
Попробуйте повторить позже
Воздушный шарик радиусом надут до давления
. Масса оболочки
. Шарик погружают в глубокую воду на некоторую глубину
. При каком значении
шарик начнёт тонуть? Считайте, что температура воды
и её плотность
не
зависят от глубины. Воздух считайте идеальным газом.
(Всеросс., 2013, РЭ, 10)
Источники:
Начальный объём шарика
Масса воздуха в шарике
Полная масса шарика
На критической глубине сила Архимеда равна силе тяжести:
давление . Температура постоянная, поэтому выполняется равенство:
Выражаем :
Критерии оценивания выполнения задачи | Баллы |
Записана формула объёма и массы | 2 |
Сказано когда сила Архимеда равна силе тяжести | 2 |
Сказано, чему равно давление на нужной глубине | 2 |
Записан закон Бойля-Мариотта | 2 |
Представлен правильный ответ | 2 |
Максимальный балл | 10 |
Ошибка.
Попробуйте повторить позже
При какой температуре газа, состоящего из смеси азота и кислорода, наиболее вероятные скорости
молекул азота и кислорода будут отличаться друг от друга на .
1. Запишем наивероятнейшую скорость распределения Максвелла для азота и кислорода:
2. Теперь запишем их разность:
3. Из полученного выражения выразим температуру газов:
Ошибка.
Попробуйте повторить позже
Имеется два вертикальных цилиндрических сосуда с разной площадью сечения, которые в своих нижних частях соединены
тонкой трубкой. Сосуды закрыты подвижными поршнями одинаковой массы . Поршни находятся в равновесии на
одинаковой высоте
от дна сосуда, на большем поршне лежит дополнительный груз массой
(см.
рисунок). В некоторый момент времени груз снимают с поршня. На какой высоте от дна сосуда окажется
этот поршень после установления равновесия? Атмосферным давлением пренебречь, температура газа не
меняется.
(«Росатом», 2017, 11)
Источники:
1. Давления в левой и правой частях сосуда равны, иначе будет происходит перетекание воздуха из одной части сосуда в
другую.
Запишем равенство сил для обоих поршней:
Что произойдет сразу после того, как мы снимем груз с правого поршня? Понятно, что сила тяжести, которая
уравновешивает силу давления уменьшится на
в итоге получаем:
Однако из этого непосредственно следует
Единственная ситуация, при которой давления
уравняются (система придет в состояние равновесия) — когда левый поршень опустится вниз до самого
конца.
2. Запишем уравнение состояния, положив — начальной высотой правого поршня и
— высотой правого поршня
после снятия грузика и установления равновесия:
До снятия грузика:
В итоговое равенство подставим значения и
, вычисленные выше:
После снятия грузика:
Окончательно получаем:
Ошибка.
Попробуйте повторить позже
Вертикально расположенный замкнутый цилиндрический сосуд высотой разделен подвижным поршнем весом
на две части, в каждой из которых содержится одинаковое количество идеального газа при температуре
Сколько молей газа находится в каждой части цилиндра, если поршень находится на высоте
от дна сосуда?
Толщиной поршня пренебречь.
Запишем уравнения Менделеева-Клапейрона для каждой из частей сосуда:
Разность давлений газа снизу и сверху позволяет удержать поршень. То есть вес поршня компенсируется силой избыточного давления снизу:
Подставим из уравнений Менделеева-Клапейрона и
:
Выразим из этого уравнения количество вещества:
Ошибка.
Попробуйте повторить позже
В закрытом цилиндрическом сосуде под невесомым поршнем находится идеальный газ. В пространстве над
поршнем создан вакуум. Поршень удерживается в равновесии пружиной, помещенной между поршнем и
крышкой цилиндра, причем пружина не деформирована, если поршень располагается у дна цилиндра. Во
сколько раз возрастет объем газа, если увеличить его температуру в
раза? Толщиной поршня
пренебречь.
1. Запишем условие равновесия для поршня, положим уровень недеформированной пружины
соответствующим основанию циллиндра.
Домножим обе части равенства на площадь :
Здесь . Мы получили процесс прямой пропорциональности (давление
прямо пропорционально объему
)
График этого процесса:
Обратите особое внимание на то, что график зависимости проходит через начало отсчета. В противном случае,
процесс не являлся бы процессом прямой пропорциональности.
2. Запишем уравнение состояния идеального газа:
Теперь несложно вычислить .
увеличилось в
раз и
увеличилось в
раз (процесс прямой
пропорциональности). Следовательно,
увеличилось в
раз. Однако дано, что
увеличилась в
раза, отсюда
вывод
Ошибка.
Попробуйте повторить позже
Из баллона со сжатым газом израсходовали часть газа. Известно, что давление в баллоне уменьшилось в раза,
отношение начальной и конечной масс баллона с газом равно
отношение начальной и конечной температур (по
шкале Кельвина) равно
Какую часть от начальной массы баллона с газом составляет начальная масса
газа?
(«Физтех», 2011, 11)
Источники:
Запишем уравнения Менделеева-Клапейрона для начального и конечного состояний:
Количество вещества газа пропорционально массе газа. С учетом этого разделим первое уравнение на второе:
Подставим известные отношения:
Подставим получившееся соотношение в отношение масс балона с газом в начальном состоянии и конечном:
Подставим это значение в искомое соотношение:
Ошибка.
Попробуйте повторить позже
Конический сосуд с углом раствора герметично перекрыт пробкой массой
и радиусами оснований
и
Под
пробкой - воздух при атмосферном давлении
и температуре
выше налита вода до уровня
от вершины конуса.
До какой температуры
нужно нагреть воздух под пробкой, чтобы он стал выходить? Плотность воды
ускорение
свободного падения
1. Отметим силы, действующие на пробку в момент, когда она только начала подниматься. Запишем второй закон Ньютона:
2. Процесс изохорный, имеет место:
Получаем окончательно:
Ошибка.
Попробуйте повторить позже
Идеальный газ участвует в процессе, в котором его температура изменяется от до
, а график зависимости
давления от температуры - парабола
Плотность газа в конце процесса равна Чему равна минимальная плотность газа в этом процессе?
1. Запишем уравнение Клапейрона-Менделеева и выразим плотность как функцию температуры:
2. Преобразуем теперь выражение в скобках, получим сумму числа и ему обратного, для которого сразу сможем записать оценку:
Минимальное значение суммы в скобках — . Она достигается при
.
Для начала выразим коэффициент :
Тогда подставляем в зависимость
и получаем ответ:
Ошибка.
Попробуйте повторить позже
Над воздухом проводят процесс, изображённый на рисунке. Участки и
представлены на графике
горизонтальными прямыми линиями, участок
— наклонной прямой линией. На участке
температура воздуха
постоянна. Объём воздуха в точке
совпадает с его объёмом в точке
и равен
а объём в точке
совпадает
с объёмом в точке
и равен
Минимальное давление в процессе
Найдите координаты точки
самопересечения на
– диаграмме.
(Всеросс., 2014, МЭ, 10)
Источники:
Точка А - точка пересечения прямо пропорционального процесса в координатах p-V и изотермического процесса. Прямо пропорциональный процесс можно описать так:
где - давление в точке А,
- объем газа в точке А. Теперь запишем уравнение описывающее изотермический
процесс, причем он тоже проходит через точку А.
Выразим из этого уравнения :
Подставим давление в (1) уравнение:
Получим:
Зная можем найти давление подставив, например, в (1):
Ошибка.
Попробуйте повторить позже
В цилиндрическом сосуде с вертикальными гладкими стенками и открытой в атмосферу верхней частью под подвижным
тяжёлым поршнем находится молей идеального газа. К поршню и дну сосуда прикреплена пружина с жёсткостью
(см. рисунок). При температуре газа
пружина растянута, и её длина равна
До какой температуры
надо
нагреть газ, чтобы его объём увеличился в
раза?
Запишем второй закон Ньютона для поршня в первой ситуации:
Где можно выразить из уравнения Менделеева-Клапейрона:
Когда объем сосуда станет , тоже запишем 2-й з-н Ньютона:
Подставим из (1) :
И запишем уравнение Менделеева-Клапейрона для конечного состояния:
Подставим в уравнение (2):
Выразим отсюда :
Ошибка.
Попробуйте повторить позже
В горизонтальном цилиндрическом сосуде длиной находятся два подвижных поршня, делящих сосуд на три
герметичных отсека. В каждом отсеке содержится идеальный газ при одинаковой температуре, объемы отсеков также
одинаковы (см. рисунок). Абсолютную температуру газа в левом отсеке увеличивают вдвое, в двух других температуру
поддерживают неизменной. На сколько сместятся поршни?
(Росатом 2025, 11)
Так как поршни подвижны, давление в отсеках одинаковое. А поскольку в начальном состоянии по условию одинаковы объемы и температуры газов, то в каждом отсеке содержится одинаковое количество вещества газа.
После нагревания газа в левом отсеке давление газа в нем увеличится, и поршни сместятся вправо. При этом давление
газа во всех трех отсеках сосуда должно быть одинаковым, поскольку поршни подвижны. А поскольку температура и
количество вещества газа в среднем и правом отсеках одинаковы, то при одинаковых давлениях у этих отсеков должен
быть одинаковый объем. Поэтому, если правый поршень сместился вправо на величину , уменьшая объем
правого отсека и увеличивая объем среднего на величину
, то левый поршень подвинется вправо на
величину
так, чтобы объем среднего отсека также уменьшился на
(
— площадь сечения
сосуда).
Учтем равенство давлений газа в левом и среднем отсеках. Выражая давления газа в левом и среднем отсеках из закона Клапейрона-Менделеева, получим:
где — количество вещества газа в каждом отсеке,
— объем каждого отсека до нагревания,
и
—
температура газов до нагревания, и температура газа в левом отсеке после нагревания.
Отсюда находим перемещение правого и левого поршней соответственно:
Ошибка.
Попробуйте повторить позже
Водород находится в стальном сферическом контейнере высокого давления («бомбе»). Плотность стали
предел прочности
Водород из контейнера заполняет лёгкую растяжимую оболочку
воздушного шара при неизменной температуре
Может ли этот воздушный шар поднять сферический
контейнер, в котором водород находился ранее? Универсальная газовая постоянная
молярную
массу воздуха примите равной
При расчёте весом водорода и оболочки шара можно
пренебречь.
Ошибка.
Попробуйте повторить позже
Две открытые с обоих концов в атмосферу трубы с площадями сечений и
состыкованы между собой. В
них вставлены соединённые стержнем поршни, которые при температуре
находятся на одинаковых расстояниях от
стыка труб. Между поршнями находится идеальный газ. При какой температуре газа между поршнями правый
поршень переместится влево на половину первоначального расстояния между ним и стыком труб? Ответ
обосновать
Источники:
Ошибка.
Попробуйте повторить позже
Оцените температуру в центре Солнца. Считайте, что плотность вещества Солнца постоянна, а в центре Солнца атомы
водорода полностью распадаются на протоны и электроны, образуя плазму с молярной массой для
которой можно использовать уравнение идеального газа. Первая космическая скорость для Солнца (скорость
движения спутника вблизи поверхности Солнца) составляет
Универсальная газовая постоянная
Источники: