IPhO 1971 · Theory problem 2
Hydrogen in a tube closed by a mercury column
A vertical glass tube of cross section \(S = 1.0\ \mathrm{cm}^2\) contains unknown amount of hydrogen. The upper end of the tube is closed. The other end is opened and is immersed in a pan filled with mercury. The tube and the pan are placed in a sealed chamber containing air at temperature \(T_0 = 273\ \mathrm{K}\) and pressure \(P_0 = 1.334\times10^5\ \mathrm{Pa}\). Under these conditions the height of mercury column in the tube above the mercury level in the pan is \(h_0 = 0.70\ \mathrm{m}\).
One of the walls of the chamber is a piston, which expands the air isothermally to a pressure of \(P_1 = 8.00\times10^4\ \mathrm{Pa}\). As a result the height of the mercury column in the tube decreases to \(h_1 = 0.40\ \mathrm{m}\). Then the chamber is heated up at a constant volume to some temperature \(T_2\) until the mercury column rises to \(h_2 = 0.50\ \mathrm{m}\). Finally, the air in the chamber is expanded at constant pressure and the mercury level in the tube settles at \(h_3 = 0.45\ \mathrm{m}\) above the mercury level in the pan.
Provided that the system is in mechanical and thermal equilibrium during all the processes calculate the mass \(m\) of the hydrogen, the intermediate temperature \(T_2\), and the pressure \(P\) in the final state.
The density of mercury at temperature \(T_0\) is \(\rho_0 = 1.36\times10^4\ \mathrm{kg/m}^3\), the coefficient of expansion for mercury \(\beta = 1.84\times10^{-4}\ \mathrm{K}^{-1}\), and the gas constant \(R = 8.314\ \mathrm{J/(mol\times K)}\). The thermal expansion of the glass tube and the variations of the mercury level in the pan are not considered.
Hint. If \(\Delta T\) is the interval of temperature variations of the system then \(\beta\Delta T = x \ll 1\). In that case you can use the approximation: \[ \frac{1}{1+x}\approx 1-x. \]
Official English text of the problem.
Answers
Question 2 has no numbered subparts. In the requested order:
- Hydrogen mass: \(\boxed{m \approx 2.1\times10^{-6}\ \mathrm{kg}=2.1\ \mathrm{mg}}\).
- Intermediate temperature: \(\boxed{T_2\approx358\ \mathrm{K}}\).
- Final hydrogen pressure: \(\boxed{P_{\mathrm{H}_2}\approx4.7\times10^4\ \mathrm{Pa}}\). The final chamber-air pressure is \(\boxed{P_{\mathrm{air}}\approx1.05\times10^5\ \mathrm{Pa}}\); the statement does not say whether “the pressure \(P\) in the final state” means the hydrogen pressure or the chamber-air pressure, so both are given.
Solution
Treat hydrogen and air as ideal gases, with negligible hydrostatic pressure variations within the gases. Use the standard values \[ g=9.81\ \mathrm{m\,s^{-2}},\qquad M_{\mathrm{H}_2}=2.0\times10^{-3}\ \mathrm{kg\,mol^{-1}}. \]
Let \(H\) be the height of the tube’s closed end above the mercury surface in the pan. Since glass expansion and changes of the pan level are neglected, \(H\) is constant. At state \(i\), the hydrogen volume is \[ V_i=S(H-h_i). \]
Write \(P_i\) for the chamber-air pressure and \(p_i\) for the hydrogen pressure. Hydrostatic equilibrium in the connected mercury gives \[ p_i=P_i-\rho_i gh_i. \] Thermal equilibrium means that both gases and the mercury have the same temperature at each state.
Hydrogen mass \(m\).
The first expansion is isothermal at \(T_0\), so the mercury density remains \(\rho_0\). Thus \[ \begin{aligned} p_0&=P_0-\rho_0gh_0 =4.00088\times10^4\ \mathrm{Pa},\\ p_1&=P_1-\rho_0gh_1 =2.66336\times10^4\ \mathrm{Pa}. \end{aligned} \]
The fixed amount of hydrogen obeys Boyle’s law: \[ p_0S(H-h_0)=p_1S(H-h_1). \] Consequently, \[ H=\frac{p_0h_0-p_1h_1}{p_0-p_1} \approx1.29738\ \mathrm{m}. \]
Using \(S=1.0\times10^{-4}\ \mathrm{m^2}\), the amount of hydrogen is \[ n=\frac{p_0S(H-h_0)}{RT_0} \approx1.0530\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \] Therefore, \[ \boxed{m=nM_{\mathrm{H}_2}\approx2.1\times10^{-6}\ \mathrm{kg} =2.1\ \mathrm{mg}.} \]
For the remaining calculations, define the constant \[ C=\frac{nR}{S} \approx87.5475\ \mathrm{Pa\,m\,K^{-1}}. \] The hydrogen ideal-gas equation then becomes \[ p_i=\frac{CT_i}{H-h_i}. \]
Intermediate temperature \(T_2\).
Mercury’s volume expansion gives its temperature-dependent density: \[ \rho(T)=\frac{\rho_0}{1+\beta(T-T_0)} \approx\rho_0\left[1-\beta(T-T_0)\right], \] where the final expression uses the supplied first-order approximation.
During the constant-volume heating, the chamber air satisfies \[ P_2=P_1\frac{T_2}{T_0}. \] Combining this with hydrostatic equilibrium and the hydrogen gas law at \(h_2\), \[ \frac{CT_2}{H-h_2} = P_1\frac{T_2}{T_0} -\rho_0gh_2\left[1-\beta(T_2-T_0)\right]. \]
Collecting the terms containing \(T_2\) gives \[ \left[ \frac{P_1}{T_0} -\frac{C}{H-h_2} +\beta\rho_0gh_2 \right]T_2 = \rho_0gh_2(1+\beta T_0). \] Hence \[ T_2= \frac{\rho_0gh_2(1+\beta T_0)} {\displaystyle P_1/T_0-C/(H-h_2)+\beta\rho_0gh_2} \approx358.32\ \mathrm{K}, \] so \[ \boxed{T_2\approx358\ \mathrm{K}.} \]
The chamber-air pressure at this stage is \[ P_2=P_1\frac{T_2}{T_0} \approx1.05002\times10^5\ \mathrm{Pa}. \]
Pressure in the final state.
The final expansion occurs at constant chamber-air pressure. Therefore, \[ \boxed{P_3=P_2\approx1.05\times10^5\ \mathrm{Pa}.} \]
To determine the hydrogen pressure, its final temperature \(T_3\) must also be found. At \(h_3=0.45\ \mathrm{m}\), \[ p_3=\frac{CT_3}{H-h_3} = P_2-\rho_0gh_3\left[1-\beta(T_3-T_0)\right]. \] Rearranging, \[ \left[ \frac{C}{H-h_3}-\beta\rho_0gh_3 \right]T_3 = P_2-\rho_0gh_3(1+\beta T_0). \] Thus \[ T_3= \frac{P_2-\rho_0gh_3(1+\beta T_0)} {\displaystyle C/(H-h_3)-\beta\rho_0gh_3} \approx454.64\ \mathrm{K}. \]
The final hydrogen pressure is consequently \[ p_3=\frac{CT_3}{H-h_3} \approx4.6971\times10^4\ \mathrm{Pa}, \] or \[ \boxed{P_{\mathrm{H}_2}\approx4.7\times10^4\ \mathrm{Pa}.} \]
Finally, the expansion parameters are \[ \beta(T_2-T_0)\approx0.0157,\qquad \beta(T_3-T_0)\approx0.0334. \] Both are small, consistent with the approximation requested in the hint.
The solution was checked against the official solution. Where this solution differs from the official solution, the official solution contains an error or a misprint.
IPhO 1971 · Theorieaufgabe 2
Wasserstoff in einem durch eine Quecksilbersäule verschlossenen Rohr
Ein senkrechtes Glasrohr mit dem Querschnitt \(S = 1.0\ \mathrm{cm}^2\) enthält eine unbekannte Menge Wasserstoff. Das obere Ende des Rohrs ist verschlossen. Das andere Ende ist offen und taucht in eine mit Quecksilber gefüllte Wanne ein. Das Rohr und die Wanne befinden sich in einer abgeschlossenen Kammer, die Luft bei der Temperatur \(T_0 = 273\ \mathrm{K}\) und dem Druck \(P_0 = 1.334\times10^5\ \mathrm{Pa}\) enthält. Unter diesen Bedingungen beträgt die Höhe der Quecksilbersäule im Rohr über dem Quecksilberspiegel in der Wanne \(h_0 = 0.70\ \mathrm{m}\).
Eine der Wände der Kammer ist ein Kolben, durch dessen Bewegung die Luft isotherm bis auf einen Druck von \(P_1 = 8.00\times10^4\ \mathrm{Pa}\) expandiert. Dadurch sinkt die Höhe der Quecksilbersäule im Rohr auf \(h_1 = 0.40\ \mathrm{m}\). Anschließend wird die Kammer bei konstantem Volumen auf eine Temperatur \(T_2\) erwärmt, bis die Quecksilbersäule auf \(h_2 = 0.50\ \mathrm{m}\) steigt. Schließlich wird die Luft in der Kammer bei konstantem Druck expandiert, und der Quecksilberspiegel im Rohr stellt sich auf eine Höhe von \(h_3 = 0.45\ \mathrm{m}\) über dem Quecksilberspiegel in der Wanne ein.
Berechnen Sie unter der Voraussetzung, dass sich das System während aller Vorgänge im mechanischen und thermischen Gleichgewicht befindet, die Masse \(m\) des Wasserstoffs, die Zwischentemperatur \(T_2\) und den Druck \(P\) im Endzustand.
Die Dichte von Quecksilber bei der Temperatur \(T_0\) beträgt \(\rho_0 = 1.36\times10^4\ \mathrm{kg/m}^3\), der Volumenausdehnungskoeffizient von Quecksilber \(\beta = 1.84\times10^{-4}\ \mathrm{K}^{-1}\) und die Gaskonstante \(R = 8.314\ \mathrm{J/(mol\times K)}\). Die Wärmeausdehnung des Glasrohrs und die Änderungen des Quecksilberspiegels in der Wanne werden nicht berücksichtigt.
Hinweis. Ist \(\Delta T\) die Temperaturänderung des Systems, so gilt \(\beta\Delta T = x \ll 1\). In diesem Fall können Sie die folgende Näherung verwenden: \[ \frac{1}{1+x}\approx 1-x. \]
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
Aufgabe 2 hat keine nummerierten Teilaufgaben. In der geforderten Reihenfolge:
- Wasserstoffmasse: \(\boxed{m \approx 2.1\times10^{-6}\ \mathrm{kg}=2.1\ \mathrm{mg}}\).
- Zwischentemperatur: \(\boxed{T_2\approx358\ \mathrm{K}}\).
- Wasserstoffdruck im Endzustand: \(\boxed{P_{\mathrm{H}_2}\approx4.7\times10^4\ \mathrm{Pa}}\). Der Luftdruck in der Kammer im Endzustand beträgt \(\boxed{P_{\mathrm{air}}\approx1.05\times10^5\ \mathrm{Pa}}\); die Aufgabenstellung lässt offen, ob „der Druck \(P\) im Endzustand“ den Wasserstoffdruck oder den Luftdruck in der Kammer meint, daher werden beide angegeben.
Lösung
Wasserstoff und Luft werden als ideale Gase behandelt; hydrostatische Druckunterschiede innerhalb der Gase werden vernachlässigt. Verwenden Sie die üblichen Werte \[ g=9.81\ \mathrm{m\,s^{-2}},\qquad M_{\mathrm{H}_2}=2.0\times10^{-3}\ \mathrm{kg\,mol^{-1}}. \]
Es sei \(H\) die Höhe des geschlossenen Rohrendes über der Quecksilberoberfläche in der Wanne. Da die Glasausdehnung und Änderungen des Flüssigkeitsspiegels in der Wanne vernachlässigt werden, ist \(H\) konstant. Im Zustand \(i\) beträgt das Wasserstoffvolumen \[ V_i=S(H-h_i). \]
Mit \(P_i\) wird der Luftdruck in der Kammer und mit \(p_i\) der Wasserstoffdruck bezeichnet. Aus dem hydrostatischen Gleichgewicht im zusammenhängenden Quecksilber ergibt sich \[ p_i=P_i-\rho_i gh_i. \] Thermisches Gleichgewicht bedeutet, dass beide Gase und das Quecksilber in jedem Zustand dieselbe Temperatur haben.
Wasserstoffmasse \(m\).
Die erste Expansion erfolgt isotherm bei \(T_0\), sodass die Quecksilberdichte gleich \(\rho_0\) bleibt. Somit gilt \[ \begin{aligned} p_0&=P_0-\rho_0gh_0 =4.00088\times10^4\ \mathrm{Pa},\\ p_1&=P_1-\rho_0gh_1 =2.66336\times10^4\ \mathrm{Pa}. \end{aligned} \]
Die konstante Wasserstoffmenge gehorcht dem Gesetz von Boyle-Mariotte: \[ p_0S(H-h_0)=p_1S(H-h_1). \] Folglich ist \[ H=\frac{p_0h_0-p_1h_1}{p_0-p_1} \approx1.29738\ \mathrm{m}. \]
Mit \(S=1.0\times10^{-4}\ \mathrm{m^2}\) ergibt sich für die Stoffmenge des Wasserstoffs \[ n=\frac{p_0S(H-h_0)}{RT_0} \approx1.0530\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \] Daher gilt \[ \boxed{m=nM_{\mathrm{H}_2}\approx2.1\times10^{-6}\ \mathrm{kg} =2.1\ \mathrm{mg}.} \]
Für die weiteren Berechnungen wird die folgende Konstante definiert: \[ C=\frac{nR}{S} \approx87.5475\ \mathrm{Pa\,m\,K^{-1}}. \] Die ideale Gasgleichung für den Wasserstoff lautet dann \[ p_i=\frac{CT_i}{H-h_i}. \]
Zwischentemperatur \(T_2\).
Aus der Volumenausdehnung des Quecksilbers ergibt sich seine temperaturabhängige Dichte: \[ \rho(T)=\frac{\rho_0}{1+\beta(T-T_0)} \approx\rho_0\left[1-\beta(T-T_0)\right], \] wobei im letzten Ausdruck die angegebene Näherung erster Ordnung verwendet wird.
Während der Erwärmung bei konstantem Volumen gilt für die Luft in der Kammer \[ P_2=P_1\frac{T_2}{T_0}. \] Die Kombination dieser Beziehung mit dem hydrostatischen Gleichgewicht und der Gasgleichung für den Wasserstoff bei \(h_2\) ergibt \[ \frac{CT_2}{H-h_2} = P_1\frac{T_2}{T_0} -\rho_0gh_2\left[1-\beta(T_2-T_0)\right]. \]
Fasst man die Terme zusammen, die \(T_2\) enthalten, erhält man \[ \left[ \frac{P_1}{T_0} -\frac{C}{H-h_2} +\beta\rho_0gh_2 \right]T_2 = \rho_0gh_2(1+\beta T_0). \] Daraus folgt \[ T_2= \frac{\rho_0gh_2(1+\beta T_0)} {\displaystyle P_1/T_0-C/(H-h_2)+\beta\rho_0gh_2} \approx358.32\ \mathrm{K}, \] also \[ \boxed{T_2\approx358\ \mathrm{K}.} \]
Der Luftdruck in der Kammer beträgt in diesem Zustand \[ P_2=P_1\frac{T_2}{T_0} \approx1.05002\times10^5\ \mathrm{Pa}. \]
Druck im Endzustand.
Die abschließende Expansion erfolgt bei konstantem Luftdruck in der Kammer. Daher gilt \[ \boxed{P_3=P_2\approx1.05\times10^5\ \mathrm{Pa}.} \]
Um den Wasserstoffdruck zu bestimmen, muss auch die Endtemperatur \(T_3\) ermittelt werden. Bei \(h_3=0.45\ \mathrm{m}\) gilt \[ p_3=\frac{CT_3}{H-h_3} = P_2-\rho_0gh_3\left[1-\beta(T_3-T_0)\right]. \] Durch Umstellen ergibt sich \[ \left[ \frac{C}{H-h_3}-\beta\rho_0gh_3 \right]T_3 = P_2-\rho_0gh_3(1+\beta T_0). \] Somit ist \[ T_3= \frac{P_2-\rho_0gh_3(1+\beta T_0)} {\displaystyle C/(H-h_3)-\beta\rho_0gh_3} \approx454.64\ \mathrm{K}. \]
Der Wasserstoffdruck im Endzustand beträgt folglich \[ p_3=\frac{CT_3}{H-h_3} \approx4.6971\times10^4\ \mathrm{Pa}, \] oder \[ \boxed{P_{\mathrm{H}_2}\approx4.7\times10^4\ \mathrm{Pa}.} \]
Schließlich betragen die Ausdehnungsparameter \[ \beta(T_2-T_0)\approx0.0157,\qquad \beta(T_3-T_0)\approx0.0334. \] Beide sind klein, was mit der im Hinweis geforderten Näherung vereinbar ist.
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen. Wo diese Lösung von der offiziellen Lösung abweicht, enthält die offizielle Lösung einen Fehler oder Druckfehler.
IPhO 1971 · Teori sorusu 2
Cıva sütunuyla kapatılmış bir tüpteki hidrojen
Kesit alanı \(S = 1.0\ \mathrm{cm}^2\) olan düşey bir cam tüp, bilinmeyen miktarda hidrojen içermektedir. Tüpün üst ucu kapalıdır. Diğer ucu açıktır ve cıva dolu bir kaba daldırılmıştır. Tüp ve kap, sıcaklığı \(T_0 = 273\ \mathrm{K}\) ve basıncı \(P_0 = 1.334\times10^5\ \mathrm{Pa}\) olan hava içeren sızdırmaz bir bölmeye yerleştirilmiştir. Bu koşullarda tüpteki cıva sütununun kaptaki cıva seviyesinden yüksekliği \(h_0 = 0.70\ \mathrm{m}\) olmaktadır.
Bölmenin duvarlarından biri, havayı izotermal olarak \(P_1 = 8.00\times10^4\ \mathrm{Pa}\) basıncına kadar genleştiren bir pistondur. Bunun sonucunda tüpteki cıva sütununun yüksekliği \(h_1 = 0.40\ \mathrm{m}\) değerine düşer. Ardından bölme, cıva sütunu \(h_2 = 0.50\ \mathrm{m}\) yüksekliğine ulaşıncaya kadar sabit hacimde bir \(T_2\) sıcaklığına kadar ısıtılır. Son olarak bölmedeki hava sabit basınçta genleştirilir ve tüpteki cıva seviyesi, kaptaki cıva seviyesinin \(h_3 = 0.45\ \mathrm{m}\) üzerinde dengeye gelir.
Sistemin tüm süreçler boyunca mekanik ve ısıl dengede olduğu kabul edilerek hidrojenin kütlesini \(m\), ara sıcaklığı \(T_2\) ve son durumdaki basıncı \(P\) hesaplayınız.
Cıvanın \(T_0\) sıcaklığındaki yoğunluğu \(\rho_0 = 1.36\times10^4\ \mathrm{kg/m}^3\), cıvanın genleşme katsayısı \(\beta = 1.84\times10^{-4}\ \mathrm{K}^{-1}\) ve gaz sabiti \(R = 8.314\ \mathrm{J/(mol\times K)}\) olarak verilmiştir. Cam tüpün ısıl genleşmesi ve kaptaki cıva seviyesinin değişimleri dikkate alınmayacaktır.
İpucu. Sistemdeki sıcaklık değişimi \(\Delta T\) ise \(\beta\Delta T = x \ll 1\) olur. Bu durumda şu yaklaşımı kullanabilirsiniz: \[ \frac{1}{1+x}\approx 1-x. \]
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
Soru 2'nin numaralandırılmış alt bölümleri yoktur. İstenen sırayla:
- Hidrojenin kütlesi: \(\boxed{m \approx 2.1\times10^{-6}\ \mathrm{kg}=2.1\ \mathrm{mg}}\).
- Ara sıcaklık: \(\boxed{T_2\approx358\ \mathrm{K}}\).
- Hidrojenin son basıncı: \(\boxed{P_{\mathrm{H}_2}\approx4.7\times10^4\ \mathrm{Pa}}\). Bölmedeki havanın son basıncı \(\boxed{P_{\mathrm{air}}\approx1.05\times10^5\ \mathrm{Pa}}\) olur; problem metni “son durumdaki basınç \(P\)” ile hidrojenin basıncının mı yoksa bölmedeki havanın basıncının mı kastedildiğini belirtmediği için ikisi de verilmiştir.
Çözüm
Hidrojen ve havayı ideal gaz olarak ele alalım ve gazların içindeki hidrostatik basınç değişimlerini ihmal edelim. Şu standart değerleri kullanalım: \[ g=9.81\ \mathrm{m\,s^{-2}},\qquad M_{\mathrm{H}_2}=2.0\times10^{-3}\ \mathrm{kg\,mol^{-1}}. \]
Tüpün kapalı ucunun kaptaki cıva yüzeyinden yüksekliği \(H\) olsun. Camın genleşmesi ve kaptaki seviyenin değişimleri ihmal edildiğinden \(H\) sabittir. \(i\) durumunda hidrojenin hacmi \[ V_i=S(H-h_i). \] olur.
Bölmedeki havanın basıncını \(P_i\), hidrojenin basıncını ise \(p_i\) ile gösterelim. Birbirine bağlı cıva kısımlarındaki hidrostatik denge \[ p_i=P_i-\rho_i gh_i. \] bağıntısını verir. Isıl denge, her durumda her iki gazın ve cıvanın aynı sıcaklıkta olması anlamına gelir.
Hidrojenin kütlesi \(m\).
İlk genleşme \(T_0\) sıcaklığında izotermaldir; dolayısıyla cıvanın yoğunluğu \(\rho_0\) olarak kalır. Böylece \[ \begin{aligned} p_0&=P_0-\rho_0gh_0 =4.00088\times10^4\ \mathrm{Pa},\\ p_1&=P_1-\rho_0gh_1 =2.66336\times10^4\ \mathrm{Pa}. \end{aligned} \]
Miktarı sabit olan hidrojen Boyle yasasına uyar: \[ p_0S(H-h_0)=p_1S(H-h_1). \] Dolayısıyla, \[ H=\frac{p_0h_0-p_1h_1}{p_0-p_1} \approx1.29738\ \mathrm{m}. \]
\(S=1.0\times10^{-4}\ \mathrm{m^2}\) kullanıldığında hidrojenin madde miktarı \[ n=\frac{p_0S(H-h_0)}{RT_0} \approx1.0530\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \] olarak bulunur. Buna göre, \[ \boxed{m=nM_{\mathrm{H}_2}\approx2.1\times10^{-6}\ \mathrm{kg} =2.1\ \mathrm{mg}.} \]
Kalan hesaplamalar için şu sabiti tanımlayalım: \[ C=\frac{nR}{S} \approx87.5475\ \mathrm{Pa\,m\,K^{-1}}. \] Böylece hidrojenin ideal gaz denklemi şu biçimi alır: \[ p_i=\frac{CT_i}{H-h_i}. \]
Ara sıcaklık \(T_2\).
Cıvanın hacimsel genleşmesinden, sıcaklığa bağlı yoğunluğu elde edilir: \[ \rho(T)=\frac{\rho_0}{1+\beta(T-T_0)} \approx\rho_0\left[1-\beta(T-T_0)\right], \] burada son ifadede verilen birinci mertebe yaklaşımı kullanılmıştır.
Sabit hacimde ısıtma sırasında bölmedeki hava şu bağıntıyı sağlar: \[ P_2=P_1\frac{T_2}{T_0}. \] Bu bağıntı, \(h_2\) yüksekliğindeki hidrostatik denge ve hidrojenin gaz yasası ile birleştirildiğinde, \[ \frac{CT_2}{H-h_2} = P_1\frac{T_2}{T_0} -\rho_0gh_2\left[1-\beta(T_2-T_0)\right]. \]
\(T_2\) içeren terimler bir araya toplandığında \[ \left[ \frac{P_1}{T_0} -\frac{C}{H-h_2} +\beta\rho_0gh_2 \right]T_2 = \rho_0gh_2(1+\beta T_0). \] elde edilir. Buradan \[ T_2= \frac{\rho_0gh_2(1+\beta T_0)} {\displaystyle P_1/T_0-C/(H-h_2)+\beta\rho_0gh_2} \approx358.32\ \mathrm{K}, \] dolayısıyla \[ \boxed{T_2\approx358\ \mathrm{K}.} \]
Bu aşamada bölmedeki havanın basıncı \[ P_2=P_1\frac{T_2}{T_0} \approx1.05002\times10^5\ \mathrm{Pa}. \] olur.
Son durumdaki basınç.
Son genleşme, bölmedeki havanın basıncı sabit tutularak gerçekleşir. Bu nedenle, \[ \boxed{P_3=P_2\approx1.05\times10^5\ \mathrm{Pa}.} \]
Hidrojenin basıncını belirlemek için son sıcaklığı \(T_3\) de bulunmalıdır. \(h_3=0.45\ \mathrm{m}\) yüksekliğinde, \[ p_3=\frac{CT_3}{H-h_3} = P_2-\rho_0gh_3\left[1-\beta(T_3-T_0)\right]. \] Yeniden düzenlendiğinde, \[ \left[ \frac{C}{H-h_3}-\beta\rho_0gh_3 \right]T_3 = P_2-\rho_0gh_3(1+\beta T_0). \] Böylece \[ T_3= \frac{P_2-\rho_0gh_3(1+\beta T_0)} {\displaystyle C/(H-h_3)-\beta\rho_0gh_3} \approx454.64\ \mathrm{K}. \]
Sonuç olarak hidrojenin son basıncı \[ p_3=\frac{CT_3}{H-h_3} \approx4.6971\times10^4\ \mathrm{Pa}, \] ya da \[ \boxed{P_{\mathrm{H}_2}\approx4.7\times10^4\ \mathrm{Pa}.} \] olur.
Son olarak, genleşme parametreleri \[ \beta(T_2-T_0)\approx0.0157,\qquad \beta(T_3-T_0)\approx0.0334. \] olarak bulunur. Her ikisi de küçüktür ve bu, ipucunda istenen yaklaşımla tutarlıdır.
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi. Bu çözümün resmi çözümden ayrıldığı yerlerde resmi çözümde bir hata ya da baskı hatası vardır.
IPhO 1971 · Problema teórico 2
Hidrógeno en un tubo cerrado por una columna de mercurio
Un tubo vertical de vidrio de sección transversal \(S = 1.0\ \mathrm{cm}^2\) contiene una cantidad desconocida de hidrógeno. El extremo superior del tubo está cerrado. El otro extremo está abierto y sumergido en una cubeta llena de mercurio. El tubo y la cubeta se encuentran en una cámara hermética que contiene aire a una temperatura \(T_0 = 273\ \mathrm{K}\) y una presión \(P_0 = 1.334\times10^5\ \mathrm{Pa}\). En estas condiciones, la altura de la columna de mercurio en el tubo por encima del nivel de mercurio en la cubeta es \(h_0 = 0.70\ \mathrm{m}\).
Una de las paredes de la cámara es un pistón que expande el aire isotérmicamente hasta una presión de \(P_1 = 8.00\times10^4\ \mathrm{Pa}\). Como resultado, la altura de la columna de mercurio en el tubo disminuye hasta \(h_1 = 0.40\ \mathrm{m}\). A continuación, la cámara se calienta a volumen constante hasta una cierta temperatura \(T_2\), hasta que la columna de mercurio asciende a \(h_2 = 0.50\ \mathrm{m}\). Finalmente, el aire de la cámara se expande a presión constante y el nivel de mercurio en el tubo se estabiliza a \(h_3 = 0.45\ \mathrm{m}\) por encima del nivel de mercurio en la cubeta.
Suponiendo que el sistema se encuentra en equilibrio mecánico y térmico durante todos los procesos, calcule la masa \(m\) del hidrógeno, la temperatura intermedia \(T_2\) y la presión \(P\) en el estado final.
La densidad del mercurio a la temperatura \(T_0\) es \(\rho_0 = 1.36\times10^4\ \mathrm{kg/m}^3\), el coeficiente de dilatación del mercurio es \(\beta = 1.84\times10^{-4}\ \mathrm{K}^{-1}\) y la constante de los gases es \(R = 8.314\ \mathrm{J/(mol\times K)}\). No se consideran la dilatación térmica del tubo de vidrio ni las variaciones del nivel de mercurio en la cubeta.
Indicación. Si \(\Delta T\) es el intervalo de variación de la temperatura del sistema, entonces \(\beta\Delta T = x \ll 1\). En ese caso, puede utilizar la aproximación: \[ \frac{1}{1+x}\approx 1-x. \]
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
El problema 2 no tiene apartados numerados. En el orden solicitado:
- Masa del hidrógeno: \(\boxed{m \approx 2.1\times10^{-6}\ \mathrm{kg}=2.1\ \mathrm{mg}}\).
- Temperatura intermedia: \(\boxed{T_2\approx358\ \mathrm{K}}\).
- Presión final del hidrógeno: \(\boxed{P_{\mathrm{H}_2}\approx4.7\times10^4\ \mathrm{Pa}}\). La presión final del aire de la cámara es \(\boxed{P_{\mathrm{air}}\approx1.05\times10^5\ \mathrm{Pa}}\); el enunciado no aclara si «la presión \(P\) en el estado final» se refiere a la presión del hidrógeno o a la del aire de la cámara, por lo que se dan ambas.
Solución
Se consideran el hidrógeno y el aire como gases ideales, con variaciones de presión hidrostática despreciables dentro de los gases. Se utilizan los valores habituales \[ g=9.81\ \mathrm{m\,s^{-2}},\qquad M_{\mathrm{H}_2}=2.0\times10^{-3}\ \mathrm{kg\,mol^{-1}}. \]
Sea \(H\) la altura del extremo cerrado del tubo sobre la superficie del mercurio en la cubeta. Puesto que se desprecian la dilatación del vidrio y los cambios de nivel en la cubeta, \(H\) es constante. En el estado \(i\), el volumen del hidrógeno es \[ V_i=S(H-h_i). \]
Se denota por \(P_i\) la presión del aire de la cámara y por \(p_i\) la presión del hidrógeno. El equilibrio hidrostático del mercurio que comunica el tubo con la cubeta da \[ p_i=P_i-\rho_i gh_i. \] El equilibrio térmico implica que ambos gases y el mercurio tienen la misma temperatura en cada estado.
Masa del hidrógeno \(m\).
La primera expansión es isotérmica a \(T_0\), por lo que la densidad del mercurio sigue siendo \(\rho_0\). Por tanto, \[ \begin{aligned} p_0&=P_0-\rho_0gh_0 =4.00088\times10^4\ \mathrm{Pa},\\ p_1&=P_1-\rho_0gh_1 =2.66336\times10^4\ \mathrm{Pa}. \end{aligned} \]
La cantidad fija de hidrógeno obedece la ley de Boyle: \[ p_0S(H-h_0)=p_1S(H-h_1). \] En consecuencia, \[ H=\frac{p_0h_0-p_1h_1}{p_0-p_1} \approx1.29738\ \mathrm{m}. \]
Utilizando \(S=1.0\times10^{-4}\ \mathrm{m^2}\), la cantidad de hidrógeno es \[ n=\frac{p_0S(H-h_0)}{RT_0} \approx1.0530\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \] Por tanto, \[ \boxed{m=nM_{\mathrm{H}_2}\approx2.1\times10^{-6}\ \mathrm{kg} =2.1\ \mathrm{mg}.} \]
Para los cálculos restantes, se define la constante \[ C=\frac{nR}{S} \approx87.5475\ \mathrm{Pa\,m\,K^{-1}}. \] La ecuación de los gases ideales para el hidrógeno se convierte entonces en \[ p_i=\frac{CT_i}{H-h_i}. \]
Temperatura intermedia \(T_2\).
La dilatación volumétrica del mercurio determina su densidad en función de la temperatura: \[ \rho(T)=\frac{\rho_0}{1+\beta(T-T_0)} \approx\rho_0\left[1-\beta(T-T_0)\right], \] donde la última expresión utiliza la aproximación de primer orden proporcionada.
Durante el calentamiento a volumen constante, el aire de la cámara satisface \[ P_2=P_1\frac{T_2}{T_0}. \] Combinando esta relación con el equilibrio hidrostático y la ley de los gases para el hidrógeno a \(h_2\), \[ \frac{CT_2}{H-h_2} = P_1\frac{T_2}{T_0} -\rho_0gh_2\left[1-\beta(T_2-T_0)\right]. \]
Agrupando los términos que contienen \(T_2\), se obtiene \[ \left[ \frac{P_1}{T_0} -\frac{C}{H-h_2} +\beta\rho_0gh_2 \right]T_2 = \rho_0gh_2(1+\beta T_0). \] Por consiguiente, \[ T_2= \frac{\rho_0gh_2(1+\beta T_0)} {\displaystyle P_1/T_0-C/(H-h_2)+\beta\rho_0gh_2} \approx358.32\ \mathrm{K}, \] de modo que \[ \boxed{T_2\approx358\ \mathrm{K}.} \]
La presión del aire de la cámara en esta etapa es \[ P_2=P_1\frac{T_2}{T_0} \approx1.05002\times10^5\ \mathrm{Pa}. \]
Presión en el estado final.
La expansión final tiene lugar a presión constante del aire de la cámara. Por tanto, \[ \boxed{P_3=P_2\approx1.05\times10^5\ \mathrm{Pa}.} \]
Para determinar la presión del hidrógeno, también debe hallarse su temperatura final \(T_3\). A \(h_3=0.45\ \mathrm{m}\), \[ p_3=\frac{CT_3}{H-h_3} = P_2-\rho_0gh_3\left[1-\beta(T_3-T_0)\right]. \] Reordenando, \[ \left[ \frac{C}{H-h_3}-\beta\rho_0gh_3 \right]T_3 = P_2-\rho_0gh_3(1+\beta T_0). \] Así, \[ T_3= \frac{P_2-\rho_0gh_3(1+\beta T_0)} {\displaystyle C/(H-h_3)-\beta\rho_0gh_3} \approx454.64\ \mathrm{K}. \]
La presión final del hidrógeno es, en consecuencia, \[ p_3=\frac{CT_3}{H-h_3} \approx4.6971\times10^4\ \mathrm{Pa}, \] o bien \[ \boxed{P_{\mathrm{H}_2}\approx4.7\times10^4\ \mathrm{Pa}.} \]
Finalmente, los parámetros de dilatación son \[ \beta(T_2-T_0)\approx0.0157,\qquad \beta(T_3-T_0)\approx0.0334. \] Ambos son pequeños, en consonancia con la aproximación solicitada en la indicación.
La solución se comprobó con la solución oficial. Donde esta solución difiere de la solución oficial, la solución oficial contiene un error o una errata.
IPhO 1971 · 理论题 2
由水银柱封闭的管内的氢气
一根横截面积为 \(S = 1.0\ \mathrm{cm}^2\) 的竖直玻璃管内装有未知量的氢气。管的上端封闭,另一端开口并浸入盛有水银的槽中。玻璃管和水银槽置于密闭容器内,容器内空气的温度为 \(T_0 = 273\ \mathrm{K}\),压强为 \(P_0 = 1.334\times10^5\ \mathrm{Pa}\)。在这些条件下,管内水银柱高出槽内水银液面的高度为 \(h_0 = 0.70\ \mathrm{m}\)。
容器的一面壁是活塞,通过移动活塞使空气等温膨胀,直至压强降至 \(P_1 = 8.00\times10^4\ \mathrm{Pa}\)。因此,管内水银柱的高度降至 \(h_1 = 0.40\ \mathrm{m}\)。随后,在体积不变的条件下将容器加热至某一温度 \(T_2\),直到水银柱升至 \(h_2 = 0.50\ \mathrm{m}\)。最后,使容器内的空气在恒定压强下膨胀,管内水银液面最终稳定在高出槽内水银液面 \(h_3 = 0.45\ \mathrm{m}\) 的位置。
假设系统在所有过程中均处于力学平衡和热平衡状态,计算氢气的质量 \(m\)、中间状态的温度 \(T_2\) 以及最终状态的压强 \(P\)。
水银在温度 \(T_0\) 下的密度为 \(\rho_0 = 1.36\times10^4\ \mathrm{kg/m}^3\),水银的膨胀系数为 \(\beta = 1.84\times10^{-4}\ \mathrm{K}^{-1}\),气体常量为 \(R = 8.314\ \mathrm{J/(mol\times K)}\)。不考虑玻璃管的热膨胀以及槽内水银液面的变化。
提示。 若 \(\Delta T\) 为系统的温度变化量,则 \(\beta\Delta T = x \ll 1\)。此时可使用近似式: \[ \frac{1}{1+x}\approx 1-x. \]
题目译自官方英文原文。
答案
第 2 题没有编号的小问。按题目要求的顺序:
- 氢气质量: \(\boxed{m \approx 2.1\times10^{-6}\ \mathrm{kg}=2.1\ \mathrm{mg}}\)。
- 中间状态的温度: \(\boxed{T_2\approx358\ \mathrm{K}}\)。
- 最终氢气压强: \(\boxed{P_{\mathrm{H}_2}\approx4.7\times10^4\ \mathrm{Pa}}\)。最终容器内空气的压强为 \(\boxed{P_{\mathrm{air}}\approx1.05\times10^5\ \mathrm{Pa}}\);题目未说明“最终状态的压强 \(P\)”指的是氢气的压强还是容器内空气的压强,因此两者均给出。
解答
将氢气和空气视为理想气体,并忽略气体内部由重力引起的静压变化。采用以下标准值: \[ g=9.81\ \mathrm{m\,s^{-2}},\qquad M_{\mathrm{H}_2}=2.0\times10^{-3}\ \mathrm{kg\,mol^{-1}}. \]
设 \(H\) 为玻璃管封闭端高出槽内水银液面的高度。由于忽略玻璃的膨胀和槽内液面的变化,\(H\) 为常量。在状态 \(i\) 下,氢气的体积为 \[ V_i=S(H-h_i). \]
用 \(P_i\) 表示容器内空气的压强,用 \(p_i\) 表示氢气的压强。相互连通的水银处于流体静力学平衡,因此 \[ p_i=P_i-\rho_i gh_i. \] 热平衡意味着在每个状态下,两种气体和水银的温度均相同。
氢气质量 \(m\)。
第一次膨胀是在温度 \(T_0\) 下进行的等温过程,因此水银的密度保持为 \(\rho_0\)。于是 \[ \begin{aligned} p_0&=P_0-\rho_0gh_0 =4.00088\times10^4\ \mathrm{Pa},\\ p_1&=P_1-\rho_0gh_1 =2.66336\times10^4\ \mathrm{Pa}. \end{aligned} \]
一定量的氢气遵循玻意耳定律: \[ p_0S(H-h_0)=p_1S(H-h_1). \] 因此, \[ H=\frac{p_0h_0-p_1h_1}{p_0-p_1} \approx1.29738\ \mathrm{m}. \]
代入 \(S=1.0\times10^{-4}\ \mathrm{m^2}\),氢气的物质的量为 \[ n=\frac{p_0S(H-h_0)}{RT_0} \approx1.0530\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \] 因此, \[ \boxed{m=nM_{\mathrm{H}_2}\approx2.1\times10^{-6}\ \mathrm{kg} =2.1\ \mathrm{mg}.} \]
为便于后续计算,定义常量 \[ C=\frac{nR}{S} \approx87.5475\ \mathrm{Pa\,m\,K^{-1}}. \] 于是,氢气的理想气体状态方程变为 \[ p_i=\frac{CT_i}{H-h_i}. \]
中间状态的温度 \(T_2\)。
由水银的体积膨胀可得其密度随温度变化的关系: \[ \rho(T)=\frac{\rho_0}{1+\beta(T-T_0)} \approx\rho_0\left[1-\beta(T-T_0)\right], \] 其中最后一个表达式使用了题目给出的一阶近似。
在等容加热过程中,容器内的空气满足 \[ P_2=P_1\frac{T_2}{T_0}. \] 将其与水银柱高度为 \(h_2\) 时的流体静力学平衡条件及氢气状态方程联立,得到 \[ \frac{CT_2}{H-h_2} = P_1\frac{T_2}{T_0} -\rho_0gh_2\left[1-\beta(T_2-T_0)\right]. \]
合并含有 \(T_2\) 的项,得到 \[ \left[ \frac{P_1}{T_0} -\frac{C}{H-h_2} +\beta\rho_0gh_2 \right]T_2 = \rho_0gh_2(1+\beta T_0). \] 因此 \[ T_2= \frac{\rho_0gh_2(1+\beta T_0)} {\displaystyle P_1/T_0-C/(H-h_2)+\beta\rho_0gh_2} \approx358.32\ \mathrm{K}, \] 所以 \[ \boxed{T_2\approx358\ \mathrm{K}.} \]
此阶段容器内空气的压强为 \[ P_2=P_1\frac{T_2}{T_0} \approx1.05002\times10^5\ \mathrm{Pa}. \]
最终状态的压强。
最后的膨胀过程在容器内空气压强保持不变的条件下进行。因此, \[ \boxed{P_3=P_2\approx1.05\times10^5\ \mathrm{Pa}.} \]
为确定氢气的压强,还必须求出其最终温度 \(T_3\)。当 \(h_3=0.45\ \mathrm{m}\) 时, \[ p_3=\frac{CT_3}{H-h_3} = P_2-\rho_0gh_3\left[1-\beta(T_3-T_0)\right]. \] 整理得, \[ \left[ \frac{C}{H-h_3}-\beta\rho_0gh_3 \right]T_3 = P_2-\rho_0gh_3(1+\beta T_0). \] 于是 \[ T_3= \frac{P_2-\rho_0gh_3(1+\beta T_0)} {\displaystyle C/(H-h_3)-\beta\rho_0gh_3} \approx454.64\ \mathrm{K}. \]
因此,最终氢气压强为 \[ p_3=\frac{CT_3}{H-h_3} \approx4.6971\times10^4\ \mathrm{Pa}, \] 即 \[ \boxed{P_{\mathrm{H}_2}\approx4.7\times10^4\ \mathrm{Pa}.} \]
最后,膨胀参数为 \[ \beta(T_2-T_0)\approx0.0157,\qquad \beta(T_3-T_0)\approx0.0334. \] 两者都很小,与提示中要求采用的近似相符。
解答已与官方解答核对。本解答与官方解答不同之处,均为官方解答中的错误或印刷错误。
IPhO 1971 · Теоретическая задача 2
Водород в трубке, запертой столбом ртути
Вертикальная стеклянная трубка площадью поперечного сечения \(S = 1.0\ \mathrm{cm}^2\) содержит неизвестное количество водорода. Верхний конец трубки закрыт. Другой конец открыт и погружён в сосуд, наполненный ртутью. Трубка и сосуд помещены в герметичную камеру, содержащую воздух при температуре \(T_0 = 273\ \mathrm{K}\) и давлении \(P_0 = 1.334\times10^5\ \mathrm{Pa}\). При этих условиях высота столба ртути в трубке над уровнем ртути в сосуде составляет \(h_0 = 0.70\ \mathrm{m}\).
Одна из стенок камеры представляет собой поршень, при перемещении которого воздух изотермически расширяется до давления \(P_1 = 8.00\times10^4\ \mathrm{Pa}\). В результате высота столба ртути в трубке уменьшается до \(h_1 = 0.40\ \mathrm{m}\). Затем камеру нагревают при постоянном объёме до некоторой температуры \(T_2\), пока столб ртути не поднимется до высоты \(h_2 = 0.50\ \mathrm{m}\). Наконец, воздух в камере расширяется при постоянном давлении, и уровень ртути в трубке устанавливается на высоте \(h_3 = 0.45\ \mathrm{m}\) над уровнем ртути в сосуде.
Считая, что на протяжении всех процессов система находится в механическом и тепловом равновесии, вычислите массу \(m\) водорода, промежуточную температуру \(T_2\) и давление \(P\) в конечном состоянии.
Плотность ртути при температуре \(T_0\) равна \(\rho_0 = 1.36\times10^4\ \mathrm{kg/m}^3\), коэффициент объёмного расширения ртути \(\beta = 1.84\times10^{-4}\ \mathrm{K}^{-1}\), а универсальная газовая постоянная \(R = 8.314\ \mathrm{J/(mol\times K)}\). Тепловое расширение стеклянной трубки и изменения уровня ртути в сосуде не учитываются.
Указание. Если \(\Delta T\) — интервал изменения температуры системы, то \(\beta\Delta T = x \ll 1\). В этом случае можно использовать приближение: \[ \frac{1}{1+x}\approx 1-x. \]
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
В задаче 2 нет пронумерованных подпунктов. В порядке, указанном в условии:
- Масса водорода: \(\boxed{m \approx 2.1\times10^{-6}\ \mathrm{kg}=2.1\ \mathrm{mg}}\).
- Промежуточная температура: \(\boxed{T_2\approx358\ \mathrm{K}}\).
- Давление водорода в конечном состоянии: \(\boxed{P_{\mathrm{H}_2}\approx4.7\times10^4\ \mathrm{Pa}}\). Давление воздуха в камере в конечном состоянии равно \(\boxed{P_{\mathrm{air}}\approx1.05\times10^5\ \mathrm{Pa}}\); в условии не уточнено, означает ли «давление \(P\) в конечном состоянии» давление водорода или давление воздуха в камере, поэтому приведены оба значения.
Решение
Будем считать водород и воздух идеальными газами и пренебрежём гидростатическими изменениями давления в газах. Используем стандартные значения \[ g=9.81\ \mathrm{m\,s^{-2}},\qquad M_{\mathrm{H}_2}=2.0\times10^{-3}\ \mathrm{kg\,mol^{-1}}. \]
Обозначим через \(H\) высоту закрытого конца трубки над поверхностью ртути в сосуде. Поскольку расширением стекла и изменениями уровня ртути в сосуде пренебрегают, \(H\) постоянно. В состоянии \(i\) объём водорода равен \[ V_i=S(H-h_i). \]
Обозначим через \(P_i\) давление воздуха в камере, а через \(p_i\) — давление водорода. Из условия гидростатического равновесия ртути в сообщающихся трубке и сосуде следует \[ p_i=P_i-\rho_i gh_i. \] Тепловое равновесие означает, что в каждом состоянии оба газа и ртуть имеют одинаковую температуру.
Масса водорода \(m\).
Первое расширение происходит изотермически при температуре \(T_0\), поэтому плотность ртути остаётся равной \(\rho_0\). Следовательно, \[ \begin{aligned} p_0&=P_0-\rho_0gh_0 =4.00088\times10^4\ \mathrm{Pa},\\ p_1&=P_1-\rho_0gh_1 =2.66336\times10^4\ \mathrm{Pa}. \end{aligned} \]
Для неизменного количества водорода выполняется закон Бойля — Мариотта: \[ p_0S(H-h_0)=p_1S(H-h_1). \] Отсюда \[ H=\frac{p_0h_0-p_1h_1}{p_0-p_1} \approx1.29738\ \mathrm{m}. \]
Подставляя \(S=1.0\times10^{-4}\ \mathrm{m^2}\), получаем количество вещества водорода \[ n=\frac{p_0S(H-h_0)}{RT_0} \approx1.0530\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \] Следовательно, \[ \boxed{m=nM_{\mathrm{H}_2}\approx2.1\times10^{-6}\ \mathrm{kg} =2.1\ \mathrm{mg}.} \]
Для дальнейших вычислений введём постоянную \[ C=\frac{nR}{S} \approx87.5475\ \mathrm{Pa\,m\,K^{-1}}. \] Тогда уравнение состояния идеального газа для водорода принимает вид \[ p_i=\frac{CT_i}{H-h_i}. \]
Промежуточная температура \(T_2\).
Объёмное расширение ртути определяет зависимость её плотности от температуры: \[ \rho(T)=\frac{\rho_0}{1+\beta(T-T_0)} \approx\rho_0\left[1-\beta(T-T_0)\right], \] где в последнем выражении использовано приведённое в условии приближение первого порядка.
При нагревании с постоянным объёмом для воздуха в камере выполняется соотношение \[ P_2=P_1\frac{T_2}{T_0}. \] Объединяя его с условием гидростатического равновесия и уравнением состояния водорода при высоте \(h_2\), получаем \[ \frac{CT_2}{H-h_2} = P_1\frac{T_2}{T_0} -\rho_0gh_2\left[1-\beta(T_2-T_0)\right]. \]
Собирая члены, содержащие \(T_2\), получаем \[ \left[ \frac{P_1}{T_0} -\frac{C}{H-h_2} +\beta\rho_0gh_2 \right]T_2 = \rho_0gh_2(1+\beta T_0). \] Отсюда \[ T_2= \frac{\rho_0gh_2(1+\beta T_0)} {\displaystyle P_1/T_0-C/(H-h_2)+\beta\rho_0gh_2} \approx358.32\ \mathrm{K}, \] так что \[ \boxed{T_2\approx358\ \mathrm{K}.} \]
Давление воздуха в камере на этом этапе равно \[ P_2=P_1\frac{T_2}{T_0} \approx1.05002\times10^5\ \mathrm{Pa}. \]
Давление в конечном состоянии.
Последнее расширение происходит при постоянном давлении воздуха в камере. Следовательно, \[ \boxed{P_3=P_2\approx1.05\times10^5\ \mathrm{Pa}.} \]
Чтобы определить давление водорода, необходимо также найти его конечную температуру \(T_3\). При \(h_3=0.45\ \mathrm{m}\) \[ p_3=\frac{CT_3}{H-h_3} = P_2-\rho_0gh_3\left[1-\beta(T_3-T_0)\right]. \] Перегруппировав члены, получаем \[ \left[ \frac{C}{H-h_3}-\beta\rho_0gh_3 \right]T_3 = P_2-\rho_0gh_3(1+\beta T_0). \] Таким образом, \[ T_3= \frac{P_2-\rho_0gh_3(1+\beta T_0)} {\displaystyle C/(H-h_3)-\beta\rho_0gh_3} \approx454.64\ \mathrm{K}. \]
Следовательно, давление водорода в конечном состоянии равно \[ p_3=\frac{CT_3}{H-h_3} \approx4.6971\times10^4\ \mathrm{Pa}, \] или \[ \boxed{P_{\mathrm{H}_2}\approx4.7\times10^4\ \mathrm{Pa}.} \]
Наконец, параметры расширения равны \[ \beta(T_2-T_0)\approx0.0157,\qquad \beta(T_3-T_0)\approx0.0334. \] Оба значения малы, что согласуется с приближением, предложенным в указании.
Решение проверено по официальному решению. Там, где это решение расходится с официальным, в официальном решении есть ошибка или опечатка.
IPhO 1971 · مسألة نظرية 2
الهيدروجين في أنبوب مغلق بعمود من الزئبق
يحتوي أنبوب زجاجي رأسي مساحة مقطعه \(S = 1.0\ \mathrm{cm}^2\) على كمية مجهولة من الهيدروجين. الطرف العلوي للأنبوب مغلق، أما الطرف الآخر فمفتوح ومغمور في حوض مملوء بالزئبق. يوضع الأنبوب والحوض في حجرة محكمة الإغلاق تحتوي على هواء عند درجة حرارة \(T_0 = 273\ \mathrm{K}\) وضغط \(P_0 = 1.334\times10^5\ \mathrm{Pa}\). في هذه الظروف، يبلغ ارتفاع عمود الزئبق في الأنبوب فوق مستوى الزئبق في الحوض \(h_0 = 0.70\ \mathrm{m}\).
أحد جدران الحجرة عبارة عن مكبس، يؤدي تحريكه إلى تمدد الهواء عند درجة حرارة ثابتة حتى يصبح ضغطه \(P_1 = 8.00\times10^4\ \mathrm{Pa}\). ونتيجة لذلك، ينخفض ارتفاع عمود الزئبق في الأنبوب إلى \(h_1 = 0.40\ \mathrm{m}\). ثم تُسخَّن الحجرة عند حجم ثابت إلى درجة حرارة ما \(T_2\) حتى يرتفع عمود الزئبق إلى \(h_2 = 0.50\ \mathrm{m}\). وأخيرًا، يُمدَّد الهواء في الحجرة عند ضغط ثابت، ويستقر مستوى الزئبق في الأنبوب عند ارتفاع \(h_3 = 0.45\ \mathrm{m}\) فوق مستوى الزئبق في الحوض.
بافتراض أن النظام في اتزان ميكانيكي وحراري خلال جميع العمليات، احسب كتلة الهيدروجين \(m\)، ودرجة الحرارة الوسيطة \(T_2\)، والضغط \(P\) في الحالة النهائية.
كثافة الزئبق عند درجة الحرارة \(T_0\) هي \(\rho_0 = 1.36\times10^4\ \mathrm{kg/m}^3\)، ومعامل تمدد الزئبق هو \(\beta = 1.84\times10^{-4}\ \mathrm{K}^{-1}\)، وثابت الغازات هو \(R = 8.314\ \mathrm{J/(mol\times K)}\). يُهمَل التمدد الحراري للأنبوب الزجاجي وتغير مستوى الزئبق في الحوض.
تلميح. إذا كان \(\Delta T\) هو مقدار تغير درجة حرارة النظام، فإن \(\beta\Delta T = x \ll 1\). في هذه الحالة، يمكنك استخدام التقريب: \[ \frac{1}{1+x}\approx 1-x. \]
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
ليس للسؤال 2 أجزاء فرعية مرقمة. وبالترتيب المطلوب:
- كتلة الهيدروجين: \(\boxed{m \approx 2.1\times10^{-6}\ \mathrm{kg}=2.1\ \mathrm{mg}}\).
- درجة الحرارة الوسيطة: \(\boxed{T_2\approx358\ \mathrm{K}}\).
- ضغط الهيدروجين النهائي: \(\boxed{P_{\mathrm{H}_2}\approx4.7\times10^4\ \mathrm{Pa}}\). ضغط هواء الحجرة النهائي هو \(\boxed{P_{\mathrm{air}}\approx1.05\times10^5\ \mathrm{Pa}}\)؛ لا يوضح نص المسألة ما إذا كان «الضغط \(P\) في الحالة النهائية» يعني ضغط الهيدروجين أم ضغط هواء الحجرة، ولذلك ذُكرت القيمتان كلتاهما.
الحل
نعتبر الهيدروجين والهواء غازين مثاليين، مع إهمال تغيرات الضغط الهيدروستاتيكي داخل الغازين. نستخدم القيم القياسية \[ g=9.81\ \mathrm{m\,s^{-2}},\qquad M_{\mathrm{H}_2}=2.0\times10^{-3}\ \mathrm{kg\,mol^{-1}}. \]
لتكن \(H\) ارتفاع الطرف المغلق للأنبوب فوق سطح الزئبق في الحوض. بما أن تمدد الزجاج وتغير مستوى الزئبق في الحوض مهملان، فإن \(H\) ثابت. في الحالة \(i\)، يكون حجم الهيدروجين \[ V_i=S(H-h_i). \]
نرمز إلى ضغط هواء الحجرة بـ \(P_i\)، وإلى ضغط الهيدروجين بـ \(p_i\). من الاتزان الهيدروستاتيكي في الزئبق المتصل نحصل على \[ p_i=P_i-\rho_i gh_i. \] يعني الاتزان الحراري أن الغازين والزئبق لها درجة الحرارة نفسها في كل حالة.
كتلة الهيدروجين \(m\).
يحدث التمدد الأول عند درجة حرارة ثابتة \(T_0\)، ولذلك تظل كثافة الزئبق مساوية لـ \(\rho_0\). ومن ثم \[ \begin{aligned} p_0&=P_0-\rho_0gh_0 =4.00088\times10^4\ \mathrm{Pa},\\ p_1&=P_1-\rho_0gh_1 =2.66336\times10^4\ \mathrm{Pa}. \end{aligned} \]
تخضع كمية الهيدروجين الثابتة لقانون بويل: \[ p_0S(H-h_0)=p_1S(H-h_1). \] وبالتالي، \[ H=\frac{p_0h_0-p_1h_1}{p_0-p_1} \approx1.29738\ \mathrm{m}. \]
باستخدام \(S=1.0\times10^{-4}\ \mathrm{m^2}\)، تكون كمية مادة الهيدروجين \[ n=\frac{p_0S(H-h_0)}{RT_0} \approx1.0530\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \] وعليه، \[ \boxed{m=nM_{\mathrm{H}_2}\approx2.1\times10^{-6}\ \mathrm{kg} =2.1\ \mathrm{mg}.} \]
لإجراء الحسابات المتبقية، نعرّف الثابت \[ C=\frac{nR}{S} \approx87.5475\ \mathrm{Pa\,m\,K^{-1}}. \] فتصبح معادلة الغاز المثالي للهيدروجين \[ p_i=\frac{CT_i}{H-h_i}. \]
درجة الحرارة الوسيطة \(T_2\).
يعطي التمدد الحجمي للزئبق كثافته بدلالة درجة الحرارة: \[ \rho(T)=\frac{\rho_0}{1+\beta(T-T_0)} \approx\rho_0\left[1-\beta(T-T_0)\right], \] حيث استُخدم في التعبير الأخير التقريب المعطى من الرتبة الأولى.
خلال التسخين عند حجم ثابت، يحقق هواء الحجرة العلاقة \[ P_2=P_1\frac{T_2}{T_0}. \] بدمج هذه العلاقة مع شرط الاتزان الهيدروستاتيكي وقانون الغاز للهيدروجين عند \(h_2\)، نحصل على \[ \frac{CT_2}{H-h_2} = P_1\frac{T_2}{T_0} -\rho_0gh_2\left[1-\beta(T_2-T_0)\right]. \]
بتجميع الحدود التي تحتوي على \(T_2\)، نحصل على \[ \left[ \frac{P_1}{T_0} -\frac{C}{H-h_2} +\beta\rho_0gh_2 \right]T_2 = \rho_0gh_2(1+\beta T_0). \] ومن ثم \[ T_2= \frac{\rho_0gh_2(1+\beta T_0)} {\displaystyle P_1/T_0-C/(H-h_2)+\beta\rho_0gh_2} \approx358.32\ \mathrm{K}, \] وعليه \[ \boxed{T_2\approx358\ \mathrm{K}.} \]
ضغط هواء الحجرة في هذه المرحلة هو \[ P_2=P_1\frac{T_2}{T_0} \approx1.05002\times10^5\ \mathrm{Pa}. \]
الضغط في الحالة النهائية.
يحدث التمدد الأخير عند ضغط ثابت لهواء الحجرة. لذلك، \[ \boxed{P_3=P_2\approx1.05\times10^5\ \mathrm{Pa}.} \]
لتحديد ضغط الهيدروجين، يجب أيضًا إيجاد درجة حرارته النهائية \(T_3\). عند \(h_3=0.45\ \mathrm{m}\)، \[ p_3=\frac{CT_3}{H-h_3} = P_2-\rho_0gh_3\left[1-\beta(T_3-T_0)\right]. \] بإعادة الترتيب، \[ \left[ \frac{C}{H-h_3}-\beta\rho_0gh_3 \right]T_3 = P_2-\rho_0gh_3(1+\beta T_0). \] إذن \[ T_3= \frac{P_2-\rho_0gh_3(1+\beta T_0)} {\displaystyle C/(H-h_3)-\beta\rho_0gh_3} \approx454.64\ \mathrm{K}. \]
وبالتالي، يكون ضغط الهيدروجين النهائي \[ p_3=\frac{CT_3}{H-h_3} \approx4.6971\times10^4\ \mathrm{Pa}, \] أو \[ \boxed{P_{\mathrm{H}_2}\approx4.7\times10^4\ \mathrm{Pa}.} \]
وأخيرًا، فإن معاملي التمدد هما \[ \beta(T_2-T_0)\approx0.0157,\qquad \beta(T_3-T_0)\approx0.0334. \] كلاهما صغير، بما يتفق مع التقريب المطلوب في التلميح.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي. حيثما يختلف هذا الحل عن الحل الرسمي، يحتوي الحل الرسمي على خطأ أو خطأ مطبعي.