IPhO 1967 · Theory problem 4
Pressure in a closed vessel with air and evaporated water
Comment: The Organizing Committee prepared three theoretical problems. Unfortunately, at the time of the 1st Olympiad the Romanian students from the last class had the entrance examinations at the universities. For that Romania sent a team consisting of students from younger classes. They were not familiar with electricity. To give them a chance the Organizers (under agreement of the International Board) added the fourth problem presented here. The students (not only from Romania) were allowed to chose three problems. The maximum possible scores for the problems were: 1st problem – 10 points, 2nd problem – 10 points, 3rd problem – 10 points and 4th problem – 6 points. The fourth problem was solved by 8 students. Only four of them solved the problem for 6 points.
A closed vessel with volume \(V_0 = 10\ \mathrm{l}\) contains dry air in the normal conditions (\(t_0 = 0^\circ\mathrm{C}\), \(p_0 = 1\ \mathrm{atm}\)). In some moment 3 g of water were added to the vessel and the system was warmed up to \(t = 100^\circ\mathrm{C}\). Find the pressure in the vessel. Discuss assumption you made to solve the problem.
Official English text of the problem.
Answers
- Problem 4 (6 points): The final absolute pressure is \[ \boxed{p \simeq 1.88\ \mathrm{atm} \simeq 1.90\times10^5\ \mathrm{Pa}.} \] All \(3\ \mathrm{g}\) of water evaporate; the resulting vapour is unsaturated. This assumes a rigid vessel, no loss of air during water addition, ideal-gas behaviour, and thermal and phase equilibrium at \(100^\circ\mathrm{C}\).
Solution
Problem 4
Use absolute temperatures: \[ T_0=273.15\ \mathrm{K},\qquad T=373.15\ \mathrm{K}, \qquad V_0=1.00\times10^{-2}\ \mathrm{m^3}. \]
For an ideal mixture, Dalton’s law gives the total pressure as the sum of the air and water-vapour partial pressures: \[ p=p_{\mathrm a}+p_{\mathrm v}. \]
The amount of air is fixed. Applying the ideal-gas law initially and finally, \[ n_{\mathrm a}=\frac{p_0V_0}{RT_0}, \qquad p_{\mathrm a}=\frac{n_{\mathrm a}RT}{V_0} =p_0\frac{T}{T_0}. \] Thus \[ p_{\mathrm a} =1\ \mathrm{atm}\times\frac{373.15}{273.15} \simeq1.366\ \mathrm{atm}. \]
We must determine whether all the added water evaporates. If it does, its amount is \[ n_{\mathrm v}=\frac{m}{M} =\frac{3.0\ \mathrm{g}}{18.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =\frac16\ \mathrm{mol}. \] Its corresponding partial pressure would be \[ p_{\mathrm v}^{(\mathrm{all})} =\frac{mRT}{MV_0} =\frac{(1/6)(8.314)(373.15)}{1.00\times10^{-2}} \simeq5.17\times10^4\ \mathrm{Pa} \simeq0.510\ \mathrm{atm}. \]
At \(100^\circ\mathrm{C}\), water’s saturation vapour pressure is approximately \[ p_{\mathrm{sat}}=1\ \mathrm{atm}. \] Since \[ p_{\mathrm v}^{(\mathrm{all})}<p_{\mathrm{sat}}, \] even complete evaporation produces unsaturated vapour. Any liquid remaining would therefore continue to evaporate. Consequently, all the water evaporates.
Equivalently, the water mass needed just to saturate the vessel is \[ m_{\mathrm{sat}} =\frac{Mp_{\mathrm{sat}}V_0}{RT} \simeq5.88\ \mathrm{g}, \] which exceeds the available \(3\ \mathrm{g}\). Saturation is determined by the water’s partial pressure.
The final total pressure is therefore \[ \boxed{ p=p_0\frac{T}{T_0}+\frac{mRT}{MV_0} \simeq1.366+0.510 =1.876\ \mathrm{atm} \simeq1.90\times10^5\ \mathrm{Pa}. } \]
The assumptions underlying this result are:
- Constant vessel volume: thermal expansion and pressure-induced deformation of the vessel are negligible.
- Conservation of air: adding the water does not allow air to escape, and the vessel remains sealed.
- Ideal-gas behaviour: air and water vapour obey the ideal-gas law and Dalton’s law. These are reasonable approximations at the stated temperature and pressures.
- Equilibrium: sufficient heat and time are supplied for the entire contents to reach \(100^\circ\mathrm{C}\) and for evaporation to finish. The latent heat of evaporation affects the required heat input, but not the final pressure at the specified temperature.
The solution was checked against the official solution.
IPhO 1967 · Theorieaufgabe 4
Druck in einem geschlossenen Gefäß mit Luft und verdampftem Wasser
Anmerkung: Das Organisationskomitee hatte drei theoretische Aufgaben vorbereitet. Leider fanden zur Zeit der 1. Olympiade für die rumänischen Schüler der Abschlussklasse die Aufnahmeprüfungen an den Universitäten statt. Deshalb entsandte Rumänien eine Mannschaft aus Schülern jüngerer Klassen. Diese waren mit der Elektrizitätslehre nicht vertraut. Um ihnen eine Chance zu geben, ergänzten die Organisatoren (im Einvernehmen mit dem Internationalen Gremium) die hier vorgestellte vierte Aufgabe. Die Schüler (nicht nur die aus Rumänien) durften drei Aufgaben auswählen. Die maximal erreichbaren Punktzahlen für die Aufgaben betrugen: 1. Aufgabe – 10 Punkte, 2. Aufgabe – 10 Punkte, 3. Aufgabe – 10 Punkte und 4. Aufgabe – 6 Punkte. Die vierte Aufgabe wurde von 8 Schülern gelöst. Nur vier von ihnen erreichten dabei 6 Punkte.
Ein geschlossenes Gefäß mit dem Volumen \(V_0 = 10\ \mathrm{l}\) enthält trockene Luft unter Normalbedingungen (\(t_0 = 0^\circ\mathrm{C}\), \(p_0 = 1\ \mathrm{atm}\)). Zu einem bestimmten Zeitpunkt werden 3 g Wasser in das Gefäß gegeben und das System auf \(t = 100^\circ\mathrm{C}\) erwärmt. Bestimmen Sie den Druck im Gefäß. Erörtern Sie die Annahmen, die Sie zur Lösung der Aufgabe getroffen haben.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
- Aufgabe 4 (6 Punkte): Der absolute Enddruck beträgt \[ \boxed{p \simeq 1.88\ \mathrm{atm} \simeq 1.90\times10^5\ \mathrm{Pa}.} \] Die gesamten \(3\ \mathrm{g}\) Wasser verdampfen; der entstehende Dampf ist ungesättigt. Dabei werden ein starres Gefäß, kein Luftverlust beim Hinzufügen des Wassers, ideales Gasverhalten sowie thermisches Gleichgewicht und Phasengleichgewicht bei \(100^\circ\mathrm{C}\) vorausgesetzt.
Lösung
Aufgabe 4
Wir verwenden absolute Temperaturen: \[ T_0=273.15\ \mathrm{K},\qquad T=373.15\ \mathrm{K}, \qquad V_0=1.00\times10^{-2}\ \mathrm{m^3}. \]
Für ein ideales Gemisch ergibt sich der Gesamtdruck nach dem Dalton’schen Gesetz als Summe der Partialdrücke von Luft und Wasserdampf: \[ p=p_{\mathrm a}+p_{\mathrm v}. \]
Die Stoffmenge der Luft bleibt konstant. Wenden wir die ideale Gasgleichung auf den Anfangs- und den Endzustand an, erhalten wir \[ n_{\mathrm a}=\frac{p_0V_0}{RT_0}, \qquad p_{\mathrm a}=\frac{n_{\mathrm a}RT}{V_0} =p_0\frac{T}{T_0}. \] Somit gilt \[ p_{\mathrm a} =1\ \mathrm{atm}\times\frac{373.15}{273.15} \simeq1.366\ \mathrm{atm}. \]
Wir müssen feststellen, ob das gesamte hinzugefügte Wasser verdampft. Ist dies der Fall, beträgt seine Stoffmenge \[ n_{\mathrm v}=\frac{m}{M} =\frac{3.0\ \mathrm{g}}{18.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =\frac16\ \mathrm{mol}. \] Der zugehörige Partialdruck wäre \[ p_{\mathrm v}^{(\mathrm{all})} =\frac{mRT}{MV_0} =\frac{(1/6)(8.314)(373.15)}{1.00\times10^{-2}} \simeq5.17\times10^4\ \mathrm{Pa} \simeq0.510\ \mathrm{atm}. \]
Bei \(100^\circ\mathrm{C}\) beträgt der Sättigungsdampfdruck des Wassers ungefähr \[ p_{\mathrm{sat}}=1\ \mathrm{atm}. \] Da \[ p_{\mathrm v}^{(\mathrm{all})}<p_{\mathrm{sat}}, \] entsteht selbst bei vollständiger Verdampfung ungesättigter Dampf. Verbleibende Flüssigkeit würde daher weiter verdampfen. Folglich verdampft das gesamte Wasser.
Gleichwertig lässt sich die Wassermasse berechnen, die benötigt wird, um im Gefäß gerade Sättigung zu erreichen: \[ m_{\mathrm{sat}} =\frac{Mp_{\mathrm{sat}}V_0}{RT} \simeq5.88\ \mathrm{g}, \] was die verfügbaren \(3\ \mathrm{g}\) übersteigt. Die Sättigung wird durch den Partialdruck des Wasserdampfs bestimmt.
Der Gesamtdruck im Endzustand beträgt daher \[ \boxed{ p=p_0\frac{T}{T_0}+\frac{mRT}{MV_0} \simeq1.366+0.510 =1.876\ \mathrm{atm} \simeq1.90\times10^5\ \mathrm{Pa}. } \]
Diesem Ergebnis liegen folgende Annahmen zugrunde:
- Konstantes Gefäßvolumen: Die thermische Ausdehnung und die druckbedingte Verformung des Gefäßes sind vernachlässigbar.
- Erhaltung der Luftmenge: Beim Hinzufügen des Wassers entweicht keine Luft, und das Gefäß bleibt dicht verschlossen.
- Ideales Gasverhalten: Luft und Wasserdampf gehorchen der idealen Gasgleichung und dem Dalton’schen Gesetz. Bei der angegebenen Temperatur und den angegebenen Drücken sind dies angemessene Näherungen.
- Gleichgewicht: Es wird genügend Wärme zugeführt und ausreichend lange gewartet, damit der gesamte Inhalt \(100^\circ\mathrm{C}\) erreicht und die Verdampfung abgeschlossen wird. Die Verdampfungswärme beeinflusst die erforderliche Wärmezufuhr, jedoch nicht den Enddruck bei der vorgegebenen Temperatur.
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen.
IPhO 1967 · Teori sorusu 4
Hava ve buharlaşmış su içeren kapalı bir kaptaki basınç
Açıklama: Düzenleme Komitesi üç teorik soru hazırlamıştı. Ne yazık ki 1. Olimpiyat sırasında Romanya'daki son sınıf öğrencilerinin üniversite giriş sınavları vardı. Bu nedenle Romanya, daha alt sınıflardaki öğrencilerden oluşan bir takım gönderdi. Bu öğrenciler elektrik konusunu bilmiyorlardı. Onlara da bir şans tanımak için organizatörler (Uluslararası Kurulun onayıyla) burada sunulan dördüncü soruyu eklediler. Öğrencilerin (yalnızca Romanya'dan gelenlerin değil) üç soru seçmelerine izin verildi. Sorulardan alınabilecek en yüksek puanlar şöyleydi: 1. soru – 10 puan, 2. soru – 10 puan, 3. soru – 10 puan ve 4. soru – 6 puan. Dördüncü soruyu 8 öğrenci çözdü. Bunlardan yalnızca dördü sorudan 6 puan aldı.
Hacmi \(V_0 = 10\ \mathrm{l}\) olan kapalı bir kap, normal koşullarda (\(t_0 = 0^\circ\mathrm{C}\), \(p_0 = 1\ \mathrm{atm}\)) kuru hava içermektedir. Bir anda kaba 3 g su eklenir ve sistem \(t = 100^\circ\mathrm{C}\) sıcaklığına kadar ısıtılır. Kaptaki basıncı bulunuz. Problemi çözmek için yaptığınız varsayımı tartışınız.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
- Soru 4 (6 puan): Son mutlak basınç \[ \boxed{p \simeq 1.88\ \mathrm{atm} \simeq 1.90\times10^5\ \mathrm{Pa}.} \] Suyun \(3\ \mathrm{g}\)'ının tamamı buharlaşır; oluşan buhar doymamıştır. Bu sonuç, kabın rijit olduğu, su eklenirken hava kaybı olmadığı, gazların ideal gaz davranışı gösterdiği ve \(100^\circ\mathrm{C}\)'de ısıl denge ve faz dengesinin sağlandığı varsayımlarına dayanır.
Çözüm
Soru 4
Mutlak sıcaklıkları kullanalım: \[ T_0=273.15\ \mathrm{K},\qquad T=373.15\ \mathrm{K}, \qquad V_0=1.00\times10^{-2}\ \mathrm{m^3}. \]
İdeal bir karışım için Dalton yasası, toplam basıncı hava ve su buharının kısmi basınçlarının toplamı olarak verir: \[ p=p_{\mathrm a}+p_{\mathrm v}. \]
Havanın madde miktarı sabittir. Başlangıç ve son durum için ideal gaz yasasını uygulayalım: \[ n_{\mathrm a}=\frac{p_0V_0}{RT_0}, \qquad p_{\mathrm a}=\frac{n_{\mathrm a}RT}{V_0} =p_0\frac{T}{T_0}. \] Böylece \[ p_{\mathrm a} =1\ \mathrm{atm}\times\frac{373.15}{273.15} \simeq1.366\ \mathrm{atm}. \]
Eklenen suyun tamamının buharlaşıp buharlaşmadığını belirlememiz gerekir. Tamamı buharlaşırsa madde miktarı \[ n_{\mathrm v}=\frac{m}{M} =\frac{3.0\ \mathrm{g}}{18.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =\frac16\ \mathrm{mol}. \] Buna karşılık gelen kısmi basınç ise şöyle olur: \[ p_{\mathrm v}^{(\mathrm{all})} =\frac{mRT}{MV_0} =\frac{(1/6)(8.314)(373.15)}{1.00\times10^{-2}} \simeq5.17\times10^4\ \mathrm{Pa} \simeq0.510\ \mathrm{atm}. \]
\(100^\circ\mathrm{C}\)'de suyun doymuş buhar basıncı yaklaşık olarak \[ p_{\mathrm{sat}}=1\ \mathrm{atm}. \] Şu eşitsizlik sağlandığından, \[ p_{\mathrm v}^{(\mathrm{all})}<p_{\mathrm{sat}}, \] suyun tamamının buharlaşması bile doymamış buhar oluşturur. Dolayısıyla geride sıvı kalmış olsaydı buharlaşmaya devam ederdi. Sonuç olarak suyun tamamı buharlaşır.
Eşdeğer olarak, kaptaki su buharını tam doygunluğa ulaştırmak için gereken su kütlesi \[ m_{\mathrm{sat}} =\frac{Mp_{\mathrm{sat}}V_0}{RT} \simeq5.88\ \mathrm{g}, \] olup mevcut \(3\ \mathrm{g}\)'dan fazladır. Doygunluğu suyun kısmi basıncı belirler.
Dolayısıyla son toplam basınç \[ \boxed{ p=p_0\frac{T}{T_0}+\frac{mRT}{MV_0} \simeq1.366+0.510 =1.876\ \mathrm{atm} \simeq1.90\times10^5\ \mathrm{Pa}. } \]
Bu sonucun dayandığı varsayımlar şunlardır:
- Kap hacminin sabit olması: kabın ısıl genleşmesi ve basınç nedeniyle şekil değiştirmesi ihmal edilebilir.
- Hava miktarının korunması: su eklenirken hava dışarı kaçmaz ve kap sızdırmazlığını korur.
- İdeal gaz davranışı: hava ve su buharı ideal gaz yasasına ve Dalton yasasına uyar. Bunlar, belirtilen sıcaklık ve basınçlarda makul yaklaşımlardır.
- Denge: kabın tüm içeriğinin \(100^\circ\mathrm{C}\)'ye ulaşması ve buharlaşmanın tamamlanması için yeterli ısı ve süre sağlanır. Buharlaşma gizli ısısı, verilmesi gereken ısı miktarını etkiler; ancak belirtilen sıcaklıktaki son basıncı etkilemez.
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IPhO 1967 · Problema teórico 4
Presión en un recipiente cerrado con aire y agua evaporada
Comentario: El Comité Organizador preparó tres problemas teóricos. Lamentablemente, en el momento de la 1.ª Olimpiada, los estudiantes rumanos del último curso tenían los exámenes de ingreso a las universidades. Por ello, Rumanía envió un equipo formado por estudiantes de cursos inferiores. No estaban familiarizados con la electricidad. Para darles una oportunidad, los organizadores (con el acuerdo del Consejo Internacional) añadieron el cuarto problema que se presenta aquí. Se permitió a los estudiantes (no solo a los de Rumanía) elegir tres problemas. Las puntuaciones máximas posibles de los problemas eran: 1.er problema – 10 puntos, 2.º problema – 10 puntos, 3.er problema – 10 puntos y 4.º problema – 6 puntos. El cuarto problema fue resuelto por 8 estudiantes. Solo cuatro de ellos lo resolvieron obteniendo los 6 puntos.
Un recipiente cerrado de volumen \(V_0 = 10\ \mathrm{l}\) contiene aire seco en condiciones normales (\(t_0 = 0^\circ\mathrm{C}\), \(p_0 = 1\ \mathrm{atm}\)). En un momento dado, se añadieron 3 g de agua al recipiente y se calentó el sistema hasta \(t = 100^\circ\mathrm{C}\). Determine la presión en el recipiente. Discuta las hipótesis que haya adoptado para resolver el problema.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
- Problema 4 (6 puntos): La presión absoluta final es \[ \boxed{p \simeq 1.88\ \mathrm{atm} \simeq 1.90\times10^5\ \mathrm{Pa}.} \] Los \(3\ \mathrm{g}\) de agua se evaporan por completo; el vapor resultante no está saturado. Esto supone un recipiente rígido, ninguna pérdida de aire durante la adición del agua, comportamiento de gas ideal y equilibrio térmico y de fases a \(100^\circ\mathrm{C}\).
Solución
Problema 4
Utilizamos temperaturas absolutas: \[ T_0=273.15\ \mathrm{K},\qquad T=373.15\ \mathrm{K}, \qquad V_0=1.00\times10^{-2}\ \mathrm{m^3}. \]
Para una mezcla ideal, la ley de Dalton expresa la presión total como la suma de las presiones parciales del aire y del vapor de agua: \[ p=p_{\mathrm a}+p_{\mathrm v}. \]
La cantidad de aire es constante. Aplicando la ecuación de estado de los gases ideales a los estados inicial y final, \[ n_{\mathrm a}=\frac{p_0V_0}{RT_0}, \qquad p_{\mathrm a}=\frac{n_{\mathrm a}RT}{V_0} =p_0\frac{T}{T_0}. \] Por tanto, \[ p_{\mathrm a} =1\ \mathrm{atm}\times\frac{373.15}{273.15} \simeq1.366\ \mathrm{atm}. \]
Debemos determinar si toda el agua añadida se evapora. Si es así, su cantidad de sustancia es \[ n_{\mathrm v}=\frac{m}{M} =\frac{3.0\ \mathrm{g}}{18.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =\frac16\ \mathrm{mol}. \] La presión parcial correspondiente sería \[ p_{\mathrm v}^{(\mathrm{all})} =\frac{mRT}{MV_0} =\frac{(1/6)(8.314)(373.15)}{1.00\times10^{-2}} \simeq5.17\times10^4\ \mathrm{Pa} \simeq0.510\ \mathrm{atm}. \]
A \(100^\circ\mathrm{C}\), la presión de vapor de saturación del agua es aproximadamente \[ p_{\mathrm{sat}}=1\ \mathrm{atm}. \] Como \[ p_{\mathrm v}^{(\mathrm{all})}<p_{\mathrm{sat}}, \] incluso la evaporación completa produce vapor no saturado. Por lo tanto, cualquier cantidad de líquido que quedara seguiría evaporándose. En consecuencia, toda el agua se evapora.
De forma equivalente, la masa de agua necesaria para alcanzar justo la saturación en el recipiente es \[ m_{\mathrm{sat}} =\frac{Mp_{\mathrm{sat}}V_0}{RT} \simeq5.88\ \mathrm{g}, \] que supera los \(3\ \mathrm{g}\) disponibles. La saturación está determinada por la presión parcial del agua.
La presión total final es, por tanto, \[ \boxed{ p=p_0\frac{T}{T_0}+\frac{mRT}{MV_0} \simeq1.366+0.510 =1.876\ \mathrm{atm} \simeq1.90\times10^5\ \mathrm{Pa}. } \]
Las hipótesis en las que se basa este resultado son:
- Volumen constante del recipiente: la dilatación térmica y la deformación del recipiente debida a la presión son despreciables.
- Conservación del aire: la adición del agua no permite que escape aire y el recipiente permanece herméticamente cerrado.
- Comportamiento de gas ideal: el aire y el vapor de agua obedecen la ecuación de estado de los gases ideales y la ley de Dalton. Estas son aproximaciones razonables a la temperatura y las presiones indicadas.
- Equilibrio: se suministra suficiente calor y se deja transcurrir suficiente tiempo para que todo el contenido alcance \(100^\circ\mathrm{C}\) y para que la evaporación termine. El calor latente de evaporación afecta al aporte de calor necesario, pero no a la presión final a la temperatura especificada.
La solución se comprobó con la solución oficial.
IPhO 1967 · 理论题 4
含有空气和蒸发后的水蒸气的密闭容器内的压强
说明:组委会准备了三道理论题。遗憾的是,第一届奥林匹克竞赛举办时,罗马尼亚最高年级的学生正在参加大学入学考试。因此,罗马尼亚派出了一支由较低年级学生组成的队伍。他们尚不熟悉电学。为了给他们一个机会,组织者(经国际委员会同意)增设了这里给出的第四题。所有学生(不仅是罗马尼亚学生)都可以选择三道题作答。各题的最高得分为:第一题——10 分,第二题——10 分,第三题——10 分,第四题——6 分。共有 8 名学生解答了第四题,其中只有四人得到了 6 分。
一个容积为 \(V_0 = 10\ \mathrm{l}\) 的密闭容器内装有标准状况(\(t_0 = 0^\circ\mathrm{C}\)、\(p_0 = 1\ \mathrm{atm}\))下的干燥空气。在某一时刻,向容器内加入 3 g 水,并将系统加热至 \(t = 100^\circ\mathrm{C}\)。求容器内的压强。讨论你在解题时所作的假设。
题目译自官方英文原文。
答案
- 题目 4(6 分): 最终的绝对压强为 \[ \boxed{p \simeq 1.88\ \mathrm{atm} \simeq 1.90\times10^5\ \mathrm{Pa}.} \] 全部 \(3\ \mathrm{g}\) 水均蒸发,所形成的水蒸气未达到饱和。这一结果假设容器为刚性容器,加水时没有空气逸出,气体具有理想气体的性质,并且系统在 \(100^\circ\mathrm{C}\) 时达到热平衡和相平衡。
解答
题目 4
使用绝对温度: \[ T_0=273.15\ \mathrm{K},\qquad T=373.15\ \mathrm{K}, \qquad V_0=1.00\times10^{-2}\ \mathrm{m^3}. \]
对于理想混合气体,根据道尔顿分压定律,总压强等于空气分压与水蒸气分压之和: \[ p=p_{\mathrm a}+p_{\mathrm v}. \]
空气的物质的量保持不变。分别对初态和末态应用理想气体状态方程,得 \[ n_{\mathrm a}=\frac{p_0V_0}{RT_0}, \qquad p_{\mathrm a}=\frac{n_{\mathrm a}RT}{V_0} =p_0\frac{T}{T_0}. \] 因此 \[ p_{\mathrm a} =1\ \mathrm{atm}\times\frac{373.15}{273.15} \simeq1.366\ \mathrm{atm}. \]
我们必须判断加入的水是否全部蒸发。如果全部蒸发,则水蒸气的物质的量为 \[ n_{\mathrm v}=\frac{m}{M} =\frac{3.0\ \mathrm{g}}{18.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =\frac16\ \mathrm{mol}. \] 其对应的分压将为 \[ p_{\mathrm v}^{(\mathrm{all})} =\frac{mRT}{MV_0} =\frac{(1/6)(8.314)(373.15)}{1.00\times10^{-2}} \simeq5.17\times10^4\ \mathrm{Pa} \simeq0.510\ \mathrm{atm}. \]
在 \(100^\circ\mathrm{C}\) 时,水的饱和蒸气压约为 \[ p_{\mathrm{sat}}=1\ \mathrm{atm}. \] 由于 \[ p_{\mathrm v}^{(\mathrm{all})}<p_{\mathrm{sat}}, \] 即使水全部蒸发,形成的水蒸气仍未达到饱和。因此,任何残留的液态水都会继续蒸发。所以,水全部蒸发。
等价地,使容器内的水蒸气恰好达到饱和所需的水的质量为 \[ m_{\mathrm{sat}} =\frac{Mp_{\mathrm{sat}}V_0}{RT} \simeq5.88\ \mathrm{g}, \] 这超过了现有的 \(3\ \mathrm{g}\)。是否达到饱和取决于水蒸气的分压。
因此,最终的总压强为 \[ \boxed{ p=p_0\frac{T}{T_0}+\frac{mRT}{MV_0} \simeq1.366+0.510 =1.876\ \mathrm{atm} \simeq1.90\times10^5\ \mathrm{Pa}. } \]
得出这一结果所依据的假设如下:
- 容器容积不变: 容器的热膨胀和压强引起的形变可以忽略。
- 空气量守恒: 加水时没有空气逸出,且容器始终保持密封。
- 理想气体性质: 空气和水蒸气遵循理想气体状态方程及道尔顿分压定律。在题给的温度和压强下,这些都是合理的近似。
- 平衡: 提供足够的热量和时间,使容器内所有物质都达到 \(100^\circ\mathrm{C}\),并使蒸发过程完成。汽化潜热会影响所需输入的热量,但不会影响指定温度下的最终压强。
解答已与官方解答核对。
IPhO 1967 · Теоретическая задача 4
Давление в закрытом сосуде с воздухом и испарившейся водой
Комментарий: Организационный комитет подготовил три теоретические задачи. К сожалению, во время проведения 1-й олимпиады румынские школьники выпускного класса сдавали вступительные экзамены в университеты. Поэтому Румыния направила команду, состоявшую из учеников младших классов. Они ещё не изучали электричество. Чтобы дать им шанс, организаторы (по согласованию с Международным жюри) добавили представленную здесь четвёртую задачу. Участникам (не только из Румынии) разрешили выбрать три задачи. Максимальные оценки за задачи составляли: 1-я задача — 10 баллов, 2-я задача — 10 баллов, 3-я задача — 10 баллов и 4-я задача — 6 баллов. Четвёртую задачу решили 8 участников. Только четверо из них решили её на 6 баллов.
Закрытый сосуд объёмом \(V_0 = 10\ \mathrm{l}\) содержит сухой воздух при нормальных условиях (\(t_0 = 0^\circ\mathrm{C}\), \(p_0 = 1\ \mathrm{atm}\)). В некоторый момент в сосуд добавили 3 г воды и нагрели систему до \(t = 100^\circ\mathrm{C}\). Найдите давление в сосуде. Обсудите допущения, которые вы сделали при решении задачи.
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
- Задача 4 (6 баллов): Конечное абсолютное давление равно \[ \boxed{p \simeq 1.88\ \mathrm{atm} \simeq 1.90\times10^5\ \mathrm{Pa}.} \] Все \(3\ \mathrm{g}\) воды испаряются; образовавшийся пар является ненасыщенным. При этом предполагается, что сосуд жёсткий, при добавлении воды воздух не теряется, газы ведут себя как идеальные, а при \(100^\circ\mathrm{C}\) устанавливается тепловое и фазовое равновесие.
Решение
Задача 4
Используем абсолютные температуры: \[ T_0=273.15\ \mathrm{K},\qquad T=373.15\ \mathrm{K}, \qquad V_0=1.00\times10^{-2}\ \mathrm{m^3}. \]
Для идеальной газовой смеси по закону Дальтона полное давление равно сумме парциальных давлений воздуха и водяного пара: \[ p=p_{\mathrm a}+p_{\mathrm v}. \]
Количество вещества воздуха постоянно. Применяя уравнение состояния идеального газа к начальному и конечному состояниям, получаем \[ n_{\mathrm a}=\frac{p_0V_0}{RT_0}, \qquad p_{\mathrm a}=\frac{n_{\mathrm a}RT}{V_0} =p_0\frac{T}{T_0}. \] Таким образом, \[ p_{\mathrm a} =1\ \mathrm{atm}\times\frac{373.15}{273.15} \simeq1.366\ \mathrm{atm}. \]
Необходимо определить, испарится ли вся добавленная вода. Если она испарится полностью, количество вещества пара составит \[ n_{\mathrm v}=\frac{m}{M} =\frac{3.0\ \mathrm{g}}{18.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =\frac16\ \mathrm{mol}. \] Соответствующее парциальное давление было бы равно \[ p_{\mathrm v}^{(\mathrm{all})} =\frac{mRT}{MV_0} =\frac{(1/6)(8.314)(373.15)}{1.00\times10^{-2}} \simeq5.17\times10^4\ \mathrm{Pa} \simeq0.510\ \mathrm{atm}. \]
При \(100^\circ\mathrm{C}\) давление насыщенного водяного пара приблизительно равно \[ p_{\mathrm{sat}}=1\ \mathrm{atm}. \] Поскольку \[ p_{\mathrm v}^{(\mathrm{all})}<p_{\mathrm{sat}}, \] даже при полном испарении образуется ненасыщенный пар. Поэтому любая оставшаяся жидкость продолжала бы испаряться. Следовательно, вся вода испаряется.
К тому же выводу можно прийти, определив массу воды, необходимую для того, чтобы пар в сосуде стал насыщенным: \[ m_{\mathrm{sat}} =\frac{Mp_{\mathrm{sat}}V_0}{RT} \simeq5.88\ \mathrm{g}, \] что превышает имеющиеся \(3\ \mathrm{g}\). Насыщение определяется парциальным давлением водяного пара.
Таким образом, конечное полное давление равно \[ \boxed{ p=p_0\frac{T}{T_0}+\frac{mRT}{MV_0} \simeq1.366+0.510 =1.876\ \mathrm{atm} \simeq1.90\times10^5\ \mathrm{Pa}. } \]
В основе этого результата лежат следующие допущения:
- Постоянный объём сосуда: тепловым расширением и деформацией сосуда под действием давления можно пренебречь.
- Сохранение количества воздуха: при добавлении воды воздух не выходит наружу, и сосуд остаётся герметичным.
- Поведение идеального газа: воздух и водяной пар подчиняются уравнению состояния идеального газа и закону Дальтона. При указанных температуре и давлениях эти приближения обоснованны.
- Равновесие: подводится достаточное количество теплоты и предоставляется достаточно времени, чтобы всё содержимое достигло \(100^\circ\mathrm{C}\) и испарение завершилось. Скрытая теплота испарения влияет на необходимое количество подводимой теплоты, но не на конечное давление при заданной температуре.
Решение проверено по официальному решению.
IPhO 1967 · مسألة نظرية 4
الضغط في وعاء مغلق يحتوي على الهواء والماء المتبخر
تعليق: أعدّت اللجنة المنظمة ثلاث مسائل نظرية. وللأسف، تزامن موعد الأولمبياد الأول مع امتحانات القبول الجامعي للطلاب الرومانيين في الصف الأخير. لذلك أرسلت رومانيا فريقًا يتألف من طلاب من صفوف أدنى. ولم يكونوا قد درسوا الكهرباء. ولإتاحة الفرصة لهم، أضاف المنظمون (بموافقة المجلس الدولي) المسألة الرابعة المعروضة هنا. وسُمح للطلاب (وليس لطلاب رومانيا وحدهم) باختيار ثلاث مسائل. وكانت الدرجات القصوى الممكنة للمسائل كما يلي: المسألة الأولى – 10 درجات، والمسألة الثانية – 10 درجات، والمسألة الثالثة – 10 درجات، والمسألة الرابعة – 6 درجات. وقد حلّ المسألة الرابعة 8 طلاب، ولم يحصل على درجاتها الست كاملة سوى أربعة منهم.
يحتوي وعاء مغلق حجمه \(V_0 = 10\ \mathrm{l}\) على هواء جاف في الظروف القياسية (\(t_0 = 0^\circ\mathrm{C}\)، \(p_0 = 1\ \mathrm{atm}\)). وفي لحظة ما، أُضيفت 3 g من الماء إلى الوعاء وسُخّن النظام إلى \(t = 100^\circ\mathrm{C}\). أوجد الضغط داخل الوعاء. ناقش الافتراض الذي اعتمدت عليه لحل المسألة.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
- المسألة 4 (6 درجات): الضغط المطلق النهائي هو \[ \boxed{p \simeq 1.88\ \mathrm{atm} \simeq 1.90\times10^5\ \mathrm{Pa}.} \] تتبخر كتلة الماء البالغة \(3\ \mathrm{g}\) بأكملها؛ ويكون البخار الناتج غير مشبع. وتفترض هذه النتيجة أن الوعاء صلب، وأن الهواء لا يتسرب أثناء إضافة الماء، وأن الغازات تسلك سلوك الغاز المثالي، وأن الاتزان الحراري واتزان الأطوار متحققان عند \(100^\circ\mathrm{C}\).
الحل
المسألة 4
نستخدم درجات الحرارة المطلقة: \[ T_0=273.15\ \mathrm{K},\qquad T=373.15\ \mathrm{K}, \qquad V_0=1.00\times10^{-2}\ \mathrm{m^3}. \]
بالنسبة إلى خليط مثالي، يعطي قانون دالتون الضغط الكلي بوصفه مجموع الضغطين الجزئيين للهواء وبخار الماء: \[ p=p_{\mathrm a}+p_{\mathrm v}. \]
كمية مادة الهواء ثابتة. وبتطبيق قانون الغاز المثالي في الحالتين الابتدائية والنهائية، نحصل على \[ n_{\mathrm a}=\frac{p_0V_0}{RT_0}, \qquad p_{\mathrm a}=\frac{n_{\mathrm a}RT}{V_0} =p_0\frac{T}{T_0}. \] ومن ثم \[ p_{\mathrm a} =1\ \mathrm{atm}\times\frac{373.15}{273.15} \simeq1.366\ \mathrm{atm}. \]
علينا تحديد ما إذا كان الماء المضاف يتبخر كله. فإذا تبخر كله، كانت كمية مادته \[ n_{\mathrm v}=\frac{m}{M} =\frac{3.0\ \mathrm{g}}{18.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =\frac16\ \mathrm{mol}. \] ويكون ضغطه الجزئي الموافق \[ p_{\mathrm v}^{(\mathrm{all})} =\frac{mRT}{MV_0} =\frac{(1/6)(8.314)(373.15)}{1.00\times10^{-2}} \simeq5.17\times10^4\ \mathrm{Pa} \simeq0.510\ \mathrm{atm}. \]
عند \(100^\circ\mathrm{C}\)، يكون ضغط بخار الماء المشبع تقريبًا \[ p_{\mathrm{sat}}=1\ \mathrm{atm}. \] وبما أن \[ p_{\mathrm v}^{(\mathrm{all})}<p_{\mathrm{sat}}, \] فإن التبخر الكامل أيضًا ينتج بخارًا غير مشبع. ولذلك فإن أي سائل متبقٍّ سيستمر في التبخر. وبالتالي، يتبخر الماء كله.
وبصورة مكافئة، فإن كتلة الماء اللازمة لبلوغ حالة الإشباع في الوعاء هي \[ m_{\mathrm{sat}} =\frac{Mp_{\mathrm{sat}}V_0}{RT} \simeq5.88\ \mathrm{g}, \] وهي أكبر من الكتلة المتاحة البالغة \(3\ \mathrm{g}\). وتتحدد حالة الإشباع وفقًا لـالضغط الجزئي لبخار الماء.
إذن، يكون الضغط الكلي النهائي \[ \boxed{ p=p_0\frac{T}{T_0}+\frac{mRT}{MV_0} \simeq1.366+0.510 =1.876\ \mathrm{atm} \simeq1.90\times10^5\ \mathrm{Pa}. } \]
الافتراضات التي تستند إليها هذه النتيجة هي:
- ثبات حجم الوعاء: يُهمل التمدد الحراري للوعاء وتشوهه الناجم عن الضغط.
- ثبات كمية الهواء: لا تسمح إضافة الماء بتسرب الهواء، ويظل الوعاء محكم الإغلاق.
- سلوك الغاز المثالي: يخضع الهواء وبخار الماء لقانون الغاز المثالي وقانون دالتون. وهذان تقريبان معقولان عند درجة الحرارة والضغوط المذكورة.
- الاتزان: تُوفَّر كمية كافية من الحرارة ويُتاح وقت كافٍ حتى تصل جميع محتويات الوعاء إلى \(100^\circ\mathrm{C}\) ويكتمل التبخر. وتؤثر الحرارة الكامنة للتبخر في كمية الحرارة اللازم تزويد النظام بها، لكنها لا تؤثر في الضغط النهائي عند درجة الحرارة المحددة.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي.