IPhO 1979 · Theory problem 2
Weighing a sample in dry and in humid air
Brass weights are used to weigh an aluminum-made sample on an analytical balance. The weighing is ones in dry air and another time in humid air with the water vapor pressure \(P_h=2\cdot10^3\ \mathrm{Pa}\). The total atmospheric pressure \((P=10^5\ \mathrm{Pa})\) and the temperature \((t=20^\circ\ \mathrm{C})\) are the same in both cases.
What should the mass of the sample be to be able to tell the difference in the balance readings provided their sensitivity is \(m_0=0.1\ \mathrm{mg}\) ?
Aluminum density \(\rho_1=2700\ \mathrm{kg/m^3}\), brass density \(\rho_2=.8500\ \mathrm{kg/m^3}\).
Official English text of the problem.
Answers
- Problem 2. The sample must have a mass of at least approximately \[ \boxed{m_{\min}\simeq4.4\times10^{-2}\ \mathrm{kg}=44\ \mathrm{g}.} \] The balance reading is higher in humid air; at the threshold, the increase is \(0.1\ \mathrm{mg}\).
Solution
Problem 2.
Treat dry air and water vapor as ideal gases, and assume that the masses and volumes of the sample and weights remain unchanged. We use the brass density \(8500\ \mathrm{kg/m^3}\), interpreting the preceding dot in the statement as a printing error.
First find the change in air density. For an ideal gas of molar mass \(M\), \[ \rho=\frac{pM}{RT}. \] In humid air, Dalton’s law gives the dry-air partial pressure as \(P-P_h\). Thus, writing \(M_a\) and \(M_v\) for the molar masses of dry air and water vapor, \[ \rho_d=\frac{PM_a}{RT}, \qquad \rho_h=\frac{(P-P_h)M_a+P_hM_v}{RT}. \] Consequently, \[ \Delta\rho\equiv\rho_d-\rho_h =\frac{P_h(M_a-M_v)}{RT}. \] Water vapor has a smaller molar mass than dry air, so humid air is less dense at the same total pressure and temperature.
Using the standard approximate constants \[ M_a=29\times10^{-3}\ \mathrm{kg/mol},\qquad M_v=18\times10^{-3}\ \mathrm{kg/mol},\qquad R=8.314\ \mathrm{J/(mol\,K)}, \] and \(T=293.15\ \mathrm{K}\), we obtain \[ \Delta\rho =\frac{(2\times10^3)(29-18)\times10^{-3}} {8.314\times293.15} \simeq9.03\times10^{-3}\ \mathrm{kg/m^3}. \]
Next account for buoyancy on both the sample and the brass weights. Let \(m\) be the true sample mass and \(m_b\) the total brass mass required for balance in air of density \(\rho\). Their volumes are \(m/\rho_1\) and \(m_b/\rho_2\). Archimedes’ principle and equality of the apparent weights give \[ mg-\rho g\frac{m}{\rho_1} =m_bg-\rho g\frac{m_b}{\rho_2}. \] Therefore, the balance reading is \[ m_b(\rho)=m\,\frac{1-\rho/\rho_1}{1-\rho/\rho_2}. \]
The difference between the humid-air and dry-air readings is \[ \Delta m_b = \frac{m(\rho_d-\rho_h) \left(\dfrac1{\rho_1}-\dfrac1{\rho_2}\right)} {\left(1-\dfrac{\rho_d}{\rho_2}\right) \left(1-\dfrac{\rho_h}{\rho_2}\right)}. \] Here \(\rho_d\simeq1.190\ \mathrm{kg/m^3}\) and \(\rho_h\simeq1.181\ \mathrm{kg/m^3}\), so the denominator differs from unity by only about \(0.028\%\). To the required accuracy, \[ \Delta m_b \simeq m\,\Delta\rho \left(\frac1{\rho_1}-\frac1{\rho_2}\right) \simeq m(2.28\times10^{-6}). \] This difference is positive: the aluminum sample has a greater volume per unit mass, so reducing air density increases its apparent weight more than that of the brass weights.
For a detectable difference, require \[ \Delta m_b\ge m_0=0.1\ \mathrm{mg}=1.0\times10^{-7}\ \mathrm{kg}. \] Hence \[ m_{\min}\simeq \frac{1.0\times10^{-7}} {(9.03\times10^{-3}) \left(\dfrac1{2700}-\dfrac1{8500}\right)} \simeq4.38\times10^{-2}\ \mathrm{kg} \simeq\boxed{44\ \mathrm{g}}. \]
The solution was checked against the official solution.
IPhO 1979 · Theorieaufgabe 2
Wägen einer Probe in trockener und in feuchter Luft
Eine Probe aus Aluminium wird mit Messinggewichten auf einer Analysenwaage gewogen. Die Wägung erfolgt einmal in trockener Luft und ein weiteres Mal in feuchter Luft mit einem Wasserdampfpartialdruck von \(P_h=2\cdot10^3\ \mathrm{Pa}\). Der gesamte Luftdruck \((P=10^5\ \mathrm{Pa})\) und die Temperatur \((t=20^\circ\ \mathrm{C})\) sind in beiden Fällen gleich.
Wie groß muss die Masse der Probe sein, damit sich ein Unterschied zwischen den Waagenanzeigen feststellen lässt, wenn die Empfindlichkeit der Waage \(m_0=0.1\ \mathrm{mg}\) beträgt?
Dichte von Aluminium \(\rho_1=2700\ \mathrm{kg/m^3}\), Dichte von Messing \(\rho_2=.8500\ \mathrm{kg/m^3}\).
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
- Aufgabe 2. Die Probe muss eine Masse von mindestens ungefähr \[ \boxed{m_{\min}\simeq4.4\times10^{-2}\ \mathrm{kg}=44\ \mathrm{g}.} \] haben. Die Waagenanzeige ist in feuchter Luft höher; an der Nachweisgrenze beträgt die Zunahme \(0.1\ \mathrm{mg}\).
Lösung
Aufgabe 2.
Wir behandeln trockene Luft und Wasserdampf als ideale Gase und nehmen an, dass die Massen und Volumina der Probe und der Gewichte unverändert bleiben. Wir verwenden die Messingdichte \(8500\ \mathrm{kg/m^3}\) und deuten den vorangestellten Punkt in der Aufgabenstellung als Druckfehler.
Zunächst bestimmen wir die Änderung der Luftdichte. Für ein ideales Gas mit der molaren Masse \(M\) gilt \[ \rho=\frac{pM}{RT}. \] In feuchter Luft beträgt der Partialdruck der trockenen Luft nach dem Dalton-Gesetz \(P-P_h\). Bezeichnen wir die molaren Massen der trockenen Luft und des Wasserdampfs mit \(M_a\) beziehungsweise \(M_v\), so gilt daher \[ \rho_d=\frac{PM_a}{RT}, \qquad \rho_h=\frac{(P-P_h)M_a+P_hM_v}{RT}. \] Folglich ist \[ \Delta\rho\equiv\rho_d-\rho_h =\frac{P_h(M_a-M_v)}{RT}. \] Wasserdampf hat eine kleinere molare Masse als trockene Luft, sodass feuchte Luft bei gleichem Gesamtdruck und gleicher Temperatur eine geringere Dichte hat.
Mit den üblichen Näherungswerten für die Konstanten \[ M_a=29\times10^{-3}\ \mathrm{kg/mol},\qquad M_v=18\times10^{-3}\ \mathrm{kg/mol},\qquad R=8.314\ \mathrm{J/(mol\,K)}, \] und \(T=293.15\ \mathrm{K}\) erhalten wir \[ \Delta\rho =\frac{(2\times10^3)(29-18)\times10^{-3}} {8.314\times293.15} \simeq9.03\times10^{-3}\ \mathrm{kg/m^3}. \]
Als Nächstes berücksichtigen wir den Auftrieb sowohl der Probe als auch der Messinggewichte. Es sei \(m\) die tatsächliche Masse der Probe und \(m_b\) die gesamte Messingmasse, die in Luft der Dichte \(\rho\) zum Herstellen des Gleichgewichts erforderlich ist. Ihre Volumina betragen \(m/\rho_1\) und \(m_b/\rho_2\). Aus dem archimedischen Prinzip und der Gleichheit der scheinbaren Gewichtskräfte folgt \[ mg-\rho g\frac{m}{\rho_1} =m_bg-\rho g\frac{m_b}{\rho_2}. \] Damit beträgt die Waagenanzeige \[ m_b(\rho)=m\,\frac{1-\rho/\rho_1}{1-\rho/\rho_2}. \]
Die Differenz zwischen den Anzeigen in feuchter und in trockener Luft beträgt \[ \Delta m_b = \frac{m(\rho_d-\rho_h) \left(\dfrac1{\rho_1}-\dfrac1{\rho_2}\right)} {\left(1-\dfrac{\rho_d}{\rho_2}\right) \left(1-\dfrac{\rho_h}{\rho_2}\right)}. \] Hier sind \(\rho_d\simeq1.190\ \mathrm{kg/m^3}\) und \(\rho_h\simeq1.181\ \mathrm{kg/m^3}\), sodass der Nenner nur um etwa \(0.028\%\) von eins abweicht. Mit der erforderlichen Genauigkeit gilt \[ \Delta m_b \simeq m\,\Delta\rho \left(\frac1{\rho_1}-\frac1{\rho_2}\right) \simeq m(2.28\times10^{-6}). \] Diese Differenz ist positiv: Die Aluminiumprobe hat ein größeres Volumen pro Masseneinheit, sodass eine Verringerung der Luftdichte ihre scheinbare Gewichtskraft stärker erhöht als diejenige der Messinggewichte.
Damit der Unterschied nachweisbar ist, muss gelten \[ \Delta m_b\ge m_0=0.1\ \mathrm{mg}=1.0\times10^{-7}\ \mathrm{kg}. \] Somit ergibt sich \[ m_{\min}\simeq \frac{1.0\times10^{-7}} {(9.03\times10^{-3}) \left(\dfrac1{2700}-\dfrac1{8500}\right)} \simeq4.38\times10^{-2}\ \mathrm{kg} \simeq\boxed{44\ \mathrm{g}}. \]
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen.
IPhO 1979 · Teori sorusu 2
Bir numunenin kuru ve nemli havada tartılması
Alüminyumdan yapılmış bir numune, bir analitik terazide pirinç tartı kütleleri kullanılarak tartılmaktadır. Tartım bir kez kuru havada, bir kez de su buharı basıncı \(P_h=2\cdot10^3\ \mathrm{Pa}\) olan nemli havada yapılmaktadır. Toplam atmosfer basıncı \((P=10^5\ \mathrm{Pa})\) ve sıcaklık \((t=20^\circ\ \mathrm{C})\) her iki durumda da aynıdır.
Terazinin duyarlılığı \(m_0=0.1\ \mathrm{mg}\) olduğuna göre, terazi okumaları arasındaki farkın ayırt edilebilmesi için numunenin kütlesi ne olmalıdır?
Alüminyumun yoğunluğu \(\rho_1=2700\ \mathrm{kg/m^3}\), pirincin yoğunluğu \(\rho_2=.8500\ \mathrm{kg/m^3}\).
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
- Soru 2. Numunenin kütlesi en az yaklaşık olarak \[ \boxed{m_{\min}\simeq4.4\times10^{-2}\ \mathrm{kg}=44\ \mathrm{g}.} \] olmalıdır. Terazi okuması nemli havada daha yüksektir; eşik değerinde artış \(0.1\ \mathrm{mg}\) olur.
Çözüm
Soru 2.
Kuru havayı ve su buharını ideal gaz olarak ele alalım ve numune ile tartı kütlelerinin kütlelerinin ve hacimlerinin değişmediğini varsayalım. Soru metnindeki sayının başında yer alan noktayı bir baskı hatası olarak yorumlayarak pirincin yoğunluğunu \(8500\ \mathrm{kg/m^3}\) alıyoruz.
Önce hava yoğunluğundaki değişimi bulalım. Molar kütlesi \(M\) olan bir ideal gaz için \[ \rho=\frac{pM}{RT}. \] Nemli havada Dalton yasasına göre kuru havanın kısmi basıncı \(P-P_h\) olur. Dolayısıyla kuru havanın ve su buharının molar kütlelerini sırasıyla \(M_a\) ve \(M_v\) ile gösterirsek, \[ \rho_d=\frac{PM_a}{RT}, \qquad \rho_h=\frac{(P-P_h)M_a+P_hM_v}{RT}. \] Bunun sonucunda, \[ \Delta\rho\equiv\rho_d-\rho_h =\frac{P_h(M_a-M_v)}{RT}. \] Su buharının molar kütlesi kuru havanınkinden daha küçük olduğundan, aynı toplam basınç ve sıcaklıkta nemli havanın yoğunluğu daha düşüktür.
Standart yaklaşık sabit değerlerini \[ M_a=29\times10^{-3}\ \mathrm{kg/mol},\qquad M_v=18\times10^{-3}\ \mathrm{kg/mol},\qquad R=8.314\ \mathrm{J/(mol\,K)}, \] ve \(T=293.15\ \mathrm{K}\) değerini kullanarak \[ \Delta\rho =\frac{(2\times10^3)(29-18)\times10^{-3}} {8.314\times293.15} \simeq9.03\times10^{-3}\ \mathrm{kg/m^3}. \] elde ederiz.
Şimdi hem numuneye hem de pirinç tartı kütlelerine etki eden kaldırma kuvvetini hesaba katalım. Numunenin gerçek kütlesi \(m\), yoğunluğu \(\rho\) olan havada denge için gereken toplam pirinç kütlesi ise \(m_b\) olsun. Bunların hacimleri \(m/\rho_1\) ve \(m_b/\rho_2\) olur. Arşimet ilkesi ve görünen ağırlıkların eşitliği, \[ mg-\rho g\frac{m}{\rho_1} =m_bg-\rho g\frac{m_b}{\rho_2}. \] bağıntısını verir. Dolayısıyla terazi okuması \[ m_b(\rho)=m\,\frac{1-\rho/\rho_1}{1-\rho/\rho_2}. \] olur.
Nemli havadaki okuma ile kuru havadaki okuma arasındaki fark \[ \Delta m_b = \frac{m(\rho_d-\rho_h) \left(\dfrac1{\rho_1}-\dfrac1{\rho_2}\right)} {\left(1-\dfrac{\rho_d}{\rho_2}\right) \left(1-\dfrac{\rho_h}{\rho_2}\right)}. \] olur. Burada \(\rho_d\simeq1.190\ \mathrm{kg/m^3}\) ve \(\rho_h\simeq1.181\ \mathrm{kg/m^3}\) olduğundan, payda birden yalnızca yaklaşık \(0.028\%\) kadar farklıdır. Gereken doğruluk düzeyinde, \[ \Delta m_b \simeq m\,\Delta\rho \left(\frac1{\rho_1}-\frac1{\rho_2}\right) \simeq m(2.28\times10^{-6}). \] Bu fark pozitiftir: alüminyum numunenin birim kütle başına hacmi daha büyüktür; dolayısıyla hava yoğunluğunun azalması, numunenin görünen ağırlığını pirinç tartı kütlelerininkinden daha fazla artırır.
Farkın algılanabilmesi için \[ \Delta m_b\ge m_0=0.1\ \mathrm{mg}=1.0\times10^{-7}\ \mathrm{kg}. \] koşulu sağlanmalıdır. Buradan \[ m_{\min}\simeq \frac{1.0\times10^{-7}} {(9.03\times10^{-3}) \left(\dfrac1{2700}-\dfrac1{8500}\right)} \simeq4.38\times10^{-2}\ \mathrm{kg} \simeq\boxed{44\ \mathrm{g}}. \] elde edilir.
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IPhO 1979 · Problema teórico 2
Pesaje de una muestra en aire seco y en aire húmedo
Se utilizan pesas de latón para pesar una muestra de aluminio en una balanza analítica. El pesaje se realiza una vez en aire seco y otra en aire húmedo con una presión de vapor de agua de \(P_h=2\cdot10^3\ \mathrm{Pa}\). La presión atmosférica total \((P=10^5\ \mathrm{Pa})\) y la temperatura \((t=20^\circ\ \mathrm{C})\) son las mismas en ambos casos.
¿Qué masa debe tener la muestra para que se pueda distinguir la diferencia entre las lecturas de la balanza, si su sensibilidad es \(m_0=0.1\ \mathrm{mg}\)?
Densidad del aluminio \(\rho_1=2700\ \mathrm{kg/m^3}\), densidad del latón \(\rho_2=.8500\ \mathrm{kg/m^3}\).
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
- Problema 2. La muestra debe tener una masa de al menos aproximadamente \[ \boxed{m_{\min}\simeq4.4\times10^{-2}\ \mathrm{kg}=44\ \mathrm{g}.} \] La lectura de la balanza es mayor en aire húmedo; en el umbral de detección, el aumento es de \(0.1\ \mathrm{mg}\).
Solución
Problema 2.
Tratamos el aire seco y el vapor de agua como gases ideales y suponemos que las masas y los volúmenes de la muestra y de las pesas permanecen invariables. Utilizamos la densidad del latón de \(8500\ \mathrm{kg/m^3}\), interpretando el punto que precede al valor en el enunciado como una errata.
Primero calculamos la variación de la densidad del aire. Para un gas ideal de masa molar \(M\), \[ \rho=\frac{pM}{RT}. \] En el aire húmedo, la ley de Dalton establece que la presión parcial del aire seco es \(P-P_h\). Así, denotando por \(M_a\) y \(M_v\) las masas molares del aire seco y del vapor de agua, \[ \rho_d=\frac{PM_a}{RT}, \qquad \rho_h=\frac{(P-P_h)M_a+P_hM_v}{RT}. \] Por consiguiente, \[ \Delta\rho\equiv\rho_d-\rho_h =\frac{P_h(M_a-M_v)}{RT}. \] El vapor de agua tiene una masa molar menor que la del aire seco, por lo que el aire húmedo es menos denso a la misma presión total y temperatura.
Utilizando los valores aproximados habituales de las constantes \[ M_a=29\times10^{-3}\ \mathrm{kg/mol},\qquad M_v=18\times10^{-3}\ \mathrm{kg/mol},\qquad R=8.314\ \mathrm{J/(mol\,K)}, \] y \(T=293.15\ \mathrm{K}\), obtenemos \[ \Delta\rho =\frac{(2\times10^3)(29-18)\times10^{-3}} {8.314\times293.15} \simeq9.03\times10^{-3}\ \mathrm{kg/m^3}. \]
A continuación tenemos en cuenta el empuje que actúa tanto sobre la muestra como sobre las pesas de latón. Sea \(m\) la masa real de la muestra y \(m_b\) la masa total de latón necesaria para equilibrar la balanza en aire de densidad \(\rho\). Sus volúmenes son \(m/\rho_1\) y \(m_b/\rho_2\). El principio de Arquímedes y la igualdad de los pesos aparentes dan \[ mg-\rho g\frac{m}{\rho_1} =m_bg-\rho g\frac{m_b}{\rho_2}. \] Por tanto, la lectura de la balanza es \[ m_b(\rho)=m\,\frac{1-\rho/\rho_1}{1-\rho/\rho_2}. \]
La diferencia entre las lecturas en aire húmedo y en aire seco es \[ \Delta m_b = \frac{m(\rho_d-\rho_h) \left(\dfrac1{\rho_1}-\dfrac1{\rho_2}\right)} {\left(1-\dfrac{\rho_d}{\rho_2}\right) \left(1-\dfrac{\rho_h}{\rho_2}\right)}. \] Aquí \(\rho_d\simeq1.190\ \mathrm{kg/m^3}\) y \(\rho_h\simeq1.181\ \mathrm{kg/m^3}\), por lo que el denominador difiere de la unidad en tan solo un \(0.028\%\) aproximadamente. Con la precisión requerida, \[ \Delta m_b \simeq m\,\Delta\rho \left(\frac1{\rho_1}-\frac1{\rho_2}\right) \simeq m(2.28\times10^{-6}). \] Esta diferencia es positiva: la muestra de aluminio tiene un mayor volumen por unidad de masa, por lo que la reducción de la densidad del aire aumenta su peso aparente más que el de las pesas de latón.
Para que la diferencia sea detectable, exigimos \[ \Delta m_b\ge m_0=0.1\ \mathrm{mg}=1.0\times10^{-7}\ \mathrm{kg}. \] Por tanto, \[ m_{\min}\simeq \frac{1.0\times10^{-7}} {(9.03\times10^{-3}) \left(\dfrac1{2700}-\dfrac1{8500}\right)} \simeq4.38\times10^{-2}\ \mathrm{kg} \simeq\boxed{44\ \mathrm{g}}. \]
La solución se comprobó con la solución oficial.
IPhO 1979 · 理论题 2
在干燥空气和潮湿空气中称量样品
用黄铜砝码在分析天平上称量一个铝制样品。一次在干燥空气中称量,另一次在水蒸气压为 \(P_h=2\cdot10^3\ \mathrm{Pa}\) 的潮湿空气中称量。两种情况下的总大气压 \((P=10^5\ \mathrm{Pa})\) 和温度 \((t=20^\circ\ \mathrm{C})\) 均相同。
若天平的灵敏度为 \(m_0=0.1\ \mathrm{mg}\),样品的质量应为多大,才能分辨出两次天平示值的差异?
铝的密度为 \(\rho_1=2700\ \mathrm{kg/m^3}\),黄铜的密度为 \(\rho_2=.8500\ \mathrm{kg/m^3}\)。
题目译自官方英文原文。
答案
- 题目 2. 样品的质量至少应约为 \[ \boxed{m_{\min}\simeq4.4\times10^{-2}\ \mathrm{kg}=44\ \mathrm{g}.} \] 在潮湿空气中,天平示值较大;在恰好能够分辨的临界条件下,示值增加 \(0.1\ \mathrm{mg}\)。
解答
题目 2.
将干燥空气和水蒸气视为理想气体,并假定样品和砝码的质量及体积保持不变。我们采用黄铜密度 \(8500\ \mathrm{kg/m^3}\),将题目中该数值前面的点视为印刷错误。
首先求空气密度的变化。对于摩尔质量为 \(M\) 的理想气体, \[ \rho=\frac{pM}{RT}. \] 在潮湿空气中,由道尔顿分压定律可知,干燥空气的分压为 \(P-P_h\)。因此,以 \(M_a\) 和 \(M_v\) 分别表示干燥空气和水蒸气的摩尔质量,有 \[ \rho_d=\frac{PM_a}{RT}, \qquad \rho_h=\frac{(P-P_h)M_a+P_hM_v}{RT}. \] 于是, \[ \Delta\rho\equiv\rho_d-\rho_h =\frac{P_h(M_a-M_v)}{RT}. \] 水蒸气的摩尔质量小于干燥空气的摩尔质量,因此在总压强和温度相同的情况下,潮湿空气的密度较小。
采用常用的近似常量 \[ M_a=29\times10^{-3}\ \mathrm{kg/mol},\qquad M_v=18\times10^{-3}\ \mathrm{kg/mol},\qquad R=8.314\ \mathrm{J/(mol\,K)}, \] 以及 \(T=293.15\ \mathrm{K}\),得到 \[ \Delta\rho =\frac{(2\times10^3)(29-18)\times10^{-3}} {8.314\times293.15} \simeq9.03\times10^{-3}\ \mathrm{kg/m^3}. \]
接下来考虑样品和黄铜砝码两者所受的浮力。设 \(m\) 为样品的真实质量,\(m_b\) 为在密度为 \(\rho\) 的空气中使天平平衡所需的黄铜砝码总质量。它们的体积分别为 \(m/\rho_1\) 和 \(m_b/\rho_2\)。根据阿基米德原理以及视重相等的条件,有 \[ mg-\rho g\frac{m}{\rho_1} =m_bg-\rho g\frac{m_b}{\rho_2}. \] 因此,天平示值为 \[ m_b(\rho)=m\,\frac{1-\rho/\rho_1}{1-\rho/\rho_2}. \]
潮湿空气中的示值与干燥空气中的示值之差为 \[ \Delta m_b = \frac{m(\rho_d-\rho_h) \left(\dfrac1{\rho_1}-\dfrac1{\rho_2}\right)} {\left(1-\dfrac{\rho_d}{\rho_2}\right) \left(1-\dfrac{\rho_h}{\rho_2}\right)}. \] 这里,\(\rho_d\simeq1.190\ \mathrm{kg/m^3}\),\(\rho_h\simeq1.181\ \mathrm{kg/m^3}\),因此分母与 1 的差异仅约为 \(0.028\%\)。在所需的精度范围内, \[ \Delta m_b \simeq m\,\Delta\rho \left(\frac1{\rho_1}-\frac1{\rho_2}\right) \simeq m(2.28\times10^{-6}). \] 这个差值为正:铝制样品的单位质量所占体积较大,因此空气密度降低时,其视重的增加量大于黄铜砝码视重的增加量。
要使这一差异能够被分辨,需满足 \[ \Delta m_b\ge m_0=0.1\ \mathrm{mg}=1.0\times10^{-7}\ \mathrm{kg}. \] 因此, \[ m_{\min}\simeq \frac{1.0\times10^{-7}} {(9.03\times10^{-3}) \left(\dfrac1{2700}-\dfrac1{8500}\right)} \simeq4.38\times10^{-2}\ \mathrm{kg} \simeq\boxed{44\ \mathrm{g}}. \]
解答已与官方解答核对。
IPhO 1979 · Теоретическая задача 2
Взвешивание образца в сухом и влажном воздухе
Алюминиевый образец взвешивают на аналитических весах с помощью латунных гирь. Взвешивание проводят один раз в сухом воздухе, а другой — во влажном воздухе с давлением водяного пара \(P_h=2\cdot10^3\ \mathrm{Pa}\). Полное атмосферное давление \((P=10^5\ \mathrm{Pa})\) и температура \((t=20^\circ\ \mathrm{C})\) в обоих случаях одинаковы.
Какой должна быть масса образца, чтобы можно было обнаружить разницу в показаниях весов, если их чувствительность составляет \(m_0=0.1\ \mathrm{mg}\)?
Плотность алюминия \(\rho_1=2700\ \mathrm{kg/m^3}\), плотность латуни \(\rho_2=.8500\ \mathrm{kg/m^3}\).
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
- Задача 2. Масса образца должна быть не меньше приблизительно \[ \boxed{m_{\min}\simeq4.4\times10^{-2}\ \mathrm{kg}=44\ \mathrm{g}.} \] Показание весов во влажном воздухе выше; при пороговой массе увеличение составляет \(0.1\ \mathrm{mg}\).
Решение
Задача 2.
Будем считать сухой воздух и водяной пар идеальными газами и предположим, что массы и объёмы образца и гирь остаются неизменными. Используем плотность латуни \(8500\ \mathrm{kg/m^3}\), считая точку перед числом в условии опечаткой.
Сначала найдём изменение плотности воздуха. Для идеального газа с молярной массой \(M\) \[ \rho=\frac{pM}{RT}. \] Согласно закону Дальтона, парциальное давление сухого воздуха во влажном воздухе равно \(P-P_h\). Поэтому, обозначив молярные массы сухого воздуха и водяного пара через \(M_a\) и \(M_v\), получим \[ \rho_d=\frac{PM_a}{RT}, \qquad \rho_h=\frac{(P-P_h)M_a+P_hM_v}{RT}. \] Следовательно, \[ \Delta\rho\equiv\rho_d-\rho_h =\frac{P_h(M_a-M_v)}{RT}. \] Молярная масса водяного пара меньше молярной массы сухого воздуха, поэтому при одинаковых полном давлении и температуре влажный воздух имеет меньшую плотность.
Используя стандартные приближённые значения постоянных \[ M_a=29\times10^{-3}\ \mathrm{kg/mol},\qquad M_v=18\times10^{-3}\ \mathrm{kg/mol},\qquad R=8.314\ \mathrm{J/(mol\,K)}, \] и \(T=293.15\ \mathrm{K}\), получаем \[ \Delta\rho =\frac{(2\times10^3)(29-18)\times10^{-3}} {8.314\times293.15} \simeq9.03\times10^{-3}\ \mathrm{kg/m^3}. \]
Теперь учтём выталкивающую силу, действующую как на образец, так и на латунные гири. Пусть \(m\) — истинная масса образца, а \(m_b\) — суммарная масса латунных гирь, необходимая для равновесия весов в воздухе плотностью \(\rho\). Их объёмы равны \(m/\rho_1\) и \(m_b/\rho_2\). Из закона Архимеда и равенства кажущихся весов следует \[ mg-\rho g\frac{m}{\rho_1} =m_bg-\rho g\frac{m_b}{\rho_2}. \] Таким образом, показание весов равно \[ m_b(\rho)=m\,\frac{1-\rho/\rho_1}{1-\rho/\rho_2}. \]
Разность показаний весов во влажном и сухом воздухе равна \[ \Delta m_b = \frac{m(\rho_d-\rho_h) \left(\dfrac1{\rho_1}-\dfrac1{\rho_2}\right)} {\left(1-\dfrac{\rho_d}{\rho_2}\right) \left(1-\dfrac{\rho_h}{\rho_2}\right)}. \] Здесь \(\rho_d\simeq1.190\ \mathrm{kg/m^3}\) и \(\rho_h\simeq1.181\ \mathrm{kg/m^3}\), поэтому знаменатель отличается от единицы всего примерно на \(0.028\%\). С требуемой точностью \[ \Delta m_b \simeq m\,\Delta\rho \left(\frac1{\rho_1}-\frac1{\rho_2}\right) \simeq m(2.28\times10^{-6}). \] Эта разность положительна: алюминиевый образец имеет больший объём на единицу массы, поэтому уменьшение плотности воздуха увеличивает его кажущийся вес сильнее, чем кажущийся вес латунных гирь.
Чтобы разность показаний можно было обнаружить, необходимо выполнение условия \[ \Delta m_b\ge m_0=0.1\ \mathrm{mg}=1.0\times10^{-7}\ \mathrm{kg}. \] Отсюда \[ m_{\min}\simeq \frac{1.0\times10^{-7}} {(9.03\times10^{-3}) \left(\dfrac1{2700}-\dfrac1{8500}\right)} \simeq4.38\times10^{-2}\ \mathrm{kg} \simeq\boxed{44\ \mathrm{g}}. \]
Решение проверено по официальному решению.
IPhO 1979 · مسألة نظرية 2
وزن عينة في الهواء الجاف وفي الهواء الرطب
تُستخدم أثقال من النحاس الأصفر لوزن عينة مصنوعة من الألومنيوم على ميزان تحليلي. يُجرى الوزن مرة في الهواء الجاف ومرة أخرى في الهواء الرطب، حيث يبلغ ضغط بخار الماء \(P_h=2\cdot10^3\ \mathrm{Pa}\). ويكون الضغط الجوي الكلي \((P=10^5\ \mathrm{Pa})\) ودرجة الحرارة \((t=20^\circ\ \mathrm{C})\) متماثلين في الحالتين.
كم يجب أن تكون كتلة العينة حتى يمكن تمييز الفرق بين قراءتي الميزان، إذا كانت حساسيته \(m_0=0.1\ \mathrm{mg}\)؟
كثافة الألومنيوم \(\rho_1=2700\ \mathrm{kg/m^3}\)، وكثافة النحاس الأصفر \(\rho_2=.8500\ \mathrm{kg/m^3}\).
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
- المسألة 2. يجب أن تكون كتلة العينة على الأقل نحو \[ \boxed{m_{\min}\simeq4.4\times10^{-2}\ \mathrm{kg}=44\ \mathrm{g}.} \] تكون قراءة الميزان أعلى في الهواء الرطب؛ وعند الحد الأدنى، تكون الزيادة \(0.1\ \mathrm{mg}\).
الحل
المسألة 2.
نُعامل الهواء الجاف وبخار الماء بوصفهما غازين مثاليين، ونفترض أن كتل العينة والأثقال وحجومها تبقى ثابتة. نستخدم القيمة \(8500\ \mathrm{kg/m^3}\) لكثافة النحاس الأصفر، ونعدّ النقطة التي تسبقها في نص المسألة خطأً مطبعيًا.
نحسب أولًا التغير في كثافة الهواء. لغاز مثالي كتلته المولية \(M\)، \[ \rho=\frac{pM}{RT}. \] في الهواء الرطب، يعطي قانون دالتون الضغط الجزئي للهواء الجاف على الصورة \(P-P_h\). ومن ثم، إذا رمزنا إلى الكتلتين الموليتين للهواء الجاف وبخار الماء بالرمزين \(M_a\) و\(M_v\)، فإن \[ \rho_d=\frac{PM_a}{RT}, \qquad \rho_h=\frac{(P-P_h)M_a+P_hM_v}{RT}. \] وبالتالي، \[ \Delta\rho\equiv\rho_d-\rho_h =\frac{P_h(M_a-M_v)}{RT}. \] الكتلة المولية لبخار الماء أصغر من الكتلة المولية للهواء الجاف، لذا يكون الهواء الرطب أقل كثافة عند الضغط الكلي ودرجة الحرارة نفسيهما.
باستخدام القيم التقريبية القياسية للثوابت \[ M_a=29\times10^{-3}\ \mathrm{kg/mol},\qquad M_v=18\times10^{-3}\ \mathrm{kg/mol},\qquad R=8.314\ \mathrm{J/(mol\,K)}, \] و\(T=293.15\ \mathrm{K}\)، نحصل على \[ \Delta\rho =\frac{(2\times10^3)(29-18)\times10^{-3}} {8.314\times293.15} \simeq9.03\times10^{-3}\ \mathrm{kg/m^3}. \]
نأخذ بعد ذلك في الحسبان قوة الطفو المؤثرة في كلٍّ من العينة وأثقال النحاس الأصفر. لتكن \(m\) الكتلة الحقيقية للعينة، و\(m_b\) الكتلة الكلية لأثقال النحاس الأصفر اللازمة لتحقيق الاتزان في هواء كثافته \(\rho\). ويكون حجماهما \(m/\rho_1\) و\(m_b/\rho_2\). وبحسب مبدأ أرخميدس وتساوي الوزنين الظاهريين، نحصل على \[ mg-\rho g\frac{m}{\rho_1} =m_bg-\rho g\frac{m_b}{\rho_2}. \] وعليه، تكون قراءة الميزان \[ m_b(\rho)=m\,\frac{1-\rho/\rho_1}{1-\rho/\rho_2}. \]
الفرق بين قراءة الميزان في الهواء الرطب وقراءته في الهواء الجاف هو \[ \Delta m_b = \frac{m(\rho_d-\rho_h) \left(\dfrac1{\rho_1}-\dfrac1{\rho_2}\right)} {\left(1-\dfrac{\rho_d}{\rho_2}\right) \left(1-\dfrac{\rho_h}{\rho_2}\right)}. \] هنا \(\rho_d\simeq1.190\ \mathrm{kg/m^3}\) و\(\rho_h\simeq1.181\ \mathrm{kg/m^3}\)، لذا لا يختلف المقام عن الواحد إلا بنحو \(0.028\%\). وضمن الدقة المطلوبة، \[ \Delta m_b \simeq m\,\Delta\rho \left(\frac1{\rho_1}-\frac1{\rho_2}\right) \simeq m(2.28\times10^{-6}). \] هذا الفرق موجب: فعينة الألومنيوم ذات حجم أكبر لكل وحدة كتلة، ولذلك يؤدي خفض كثافة الهواء إلى زيادة وزنها الظاهري بمقدار أكبر من الزيادة في الوزن الظاهري لأثقال النحاس الأصفر.
لكي يكون الفرق قابلًا للكشف، نشترط \[ \Delta m_b\ge m_0=0.1\ \mathrm{mg}=1.0\times10^{-7}\ \mathrm{kg}. \] ومن ثم \[ m_{\min}\simeq \frac{1.0\times10^{-7}} {(9.03\times10^{-3}) \left(\dfrac1{2700}-\dfrac1{8500}\right)} \simeq4.38\times10^{-2}\ \mathrm{kg} \simeq\boxed{44\ \mathrm{g}}. \]
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي.