IPhO 1981 · Theory problem 1
Container emptied by a released piston and escaping gas
A static container of mass \(M\) and cylindrical shape is placed in vacuum. One of its ends is closed. A fixed piston of mass \(m\) and negligible width separates the volume of the container into two equal parts. The closed part contains \(n\) moles of monoatomic perfect gas with molar mass \(M_0\) and temperature \(T\). After releasing of the piston, it leaves the container without friction. After that the gas also leaves the container. What is the final velocity of the container?
The gas constant is \(R\). The momentum of the gas up to the leaving of the piston can be neglected. There is no heat exchange between the gas, container and the piston. The change of the temperature of the gas, when it leaves the container, can be neglected. Do not account for the gravitation of the Earth.
Official English text of the problem.
Answers
- Problem 1 — Under the free-molecular escape approximation described below, the container’s final speed is \[ \boxed{ v_{\mathrm f} = \sqrt{\frac{3mnRT}{M(M+m)} \left(1-2^{-2/3}\right)} + \frac{n}{M} \sqrt{\frac{2M_0RT}{\pi\,2^{2/3}}} } \] directed toward its closed end. The statement supplies no numerical values. The second term holds for the free-molecular escape model stated in the solution.
Solution
Take the positive \(x\)-direction along the cylinder toward its open end.
Expansion while the piston remains inside.
Let the initial gas volume be \(V_0\). When the piston reaches the open end, the gas occupies \(2V_0\).
For a monoatomic ideal gas, \[ C_V=\frac32R,\qquad \gamma=\frac53. \] Using the uniform-pressure, quasistatic approximation associated with neglecting gas inertia, the expansion is adiabatic: \[ nC_V\,dT=-p\,dV=-\frac{nRT}{V}\,dV. \] Consequently, \[ TV^{2/3}=\text{constant}, \] so the temperature when the piston leaves is \[ \boxed{T_1=T\,2^{-2/3}}. \]
Write the container velocity at that instant as \(-v_1\), with \(v_1>0\), and the piston velocity as \(u_1>0\). Conservation of momentum, with the stipulated neglect of gas momentum, gives \[ -Mv_1+mu_1=0, \qquad u_1=\frac{M}{m}v_1. \]
The decrease in gas internal energy becomes kinetic energy of the piston and container: \[ \frac12Mv_1^2+\frac12mu_1^2 =\frac32nR(T-T_1). \] Substitution yields \[ \frac{M(M+m)}{2m}v_1^2 =\frac32nRT\left(1-2^{-2/3}\right), \] hence \[ \boxed{ v_1= \sqrt{\frac{3mnRT}{M(M+m)} \left(1-2^{-2/3}\right)} }. \] After leaving, the piston experiences no further force.
Recoil during molecular escape.
For this stage, use the following molecular idealization: molecules move freely during evacuation; reflections from the cylindrical side wall preserve their axial velocity component; reflection from the closed end reverses that component. Changes in molecular speeds caused by the container’s motion are neglected.
A molecule initially travelling toward the opening escapes directly. A molecule initially travelling toward the closed end reflects and subsequently escapes. Thus, if its initial axial velocity is \(v_x\), its final axial velocity is approximately \(|v_x|\).
Let \(\mu\) be the mass of one molecule and \(k_{\mathrm B}\) Boltzmann’s constant. The initial Maxwell distribution of axial velocities at temperature \(T_1\) is \[ f(v_x)= \sqrt{\frac{\mu}{2\pi k_{\mathrm B}T_1}}\, \exp\!\left(-\frac{\mu v_x^2}{2k_{\mathrm B}T_1}\right). \] The required average, counting every initially present molecule once, is \[ \begin{aligned} \langle |v_x|\rangle &=2\int_0^\infty v_x f(v_x)\,dv_x\\ &=\sqrt{\frac{2k_{\mathrm B}T_1}{\pi\mu}} =\sqrt{\frac{2RT_1}{\pi M_0}}. \end{aligned} \]
The gas has total mass \(nM_0\). Its final axial momentum is therefore \[ P_{\mathrm g} =nM_0\langle |v_x|\rangle =n\sqrt{\frac{2M_0RT_1}{\pi}}, \] directed toward the opening.
Conservation of momentum for the complete system now gives \[ -Mv_{\mathrm f}+mu_1+P_{\mathrm g}=0. \] Since \(mu_1=Mv_1\), \[ v_{\mathrm f}=v_1+\frac{P_{\mathrm g}}{M}. \] Inserting \(T_1=T2^{-2/3}\) gives \[ \boxed{ v_{\mathrm f} = \sqrt{\frac{3mnRT}{M(M+m)} \left(1-2^{-2/3}\right)} + \frac{n}{M} \sqrt{\frac{2M_0RT}{\pi\,2^{2/3}}} }. \] Both contributions propel the container toward its closed end.
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 1981 · Theorieaufgabe 1
Entleerung eines Behälters durch einen freigegebenen Kolben und ausströmendes Gas
Ein ruhender zylindrischer Behälter der Masse \(M\) befindet sich im Vakuum. Eines seiner Enden ist geschlossen. Ein festgehaltener Kolben der Masse \(m\) und vernachlässigbarer Dicke teilt das Volumen des Behälters in zwei gleiche Teile. Der geschlossene Teil enthält \(n\) Mol eines einatomigen idealen Gases mit der molaren Masse \(M_0\) und der Temperatur \(T\). Nach seiner Freigabe verlässt der Kolben den Behälter reibungsfrei. Danach verlässt auch das Gas den Behälter. Wie groß ist die Endgeschwindigkeit des Behälters?
Die Gaskonstante ist \(R\). Der Impuls des Gases kann bis zum Austritt des Kolbens vernachlässigt werden. Zwischen dem Gas, dem Behälter und dem Kolben findet kein Wärmeaustausch statt. Die Temperaturänderung des Gases beim Verlassen des Behälters kann vernachlässigt werden. Die Erdgravitation ist nicht zu berücksichtigen.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
- Aufgabe 1 — Unter der unten beschriebenen Näherung eines freien molekularen Ausströmens beträgt die Endgeschwindigkeit des Behälters \[ \boxed{ v_{\mathrm f} = \sqrt{\frac{3mnRT}{M(M+m)} \left(1-2^{-2/3}\right)} + \frac{n}{M} \sqrt{\frac{2M_0RT}{\pi\,2^{2/3}}} } \] und ist zu seinem geschlossenen Ende hin gerichtet. Die Aufgabenstellung enthält keine Zahlenwerte. Der zweite Term gilt für das in der Lösung angegebene Modell des freien molekularen Ausströmens.
Lösung
Die positive \(x\)-Richtung verlaufe entlang des Zylinders zu seinem offenen Ende hin.
Expansion, solange sich der Kolben im Behälter befindet.
Das anfängliche Gasvolumen sei \(V_0\). Wenn der Kolben das offene Ende erreicht, nimmt das Gas das Volumen \(2V_0\) ein.
Für ein einatomiges ideales Gas gilt \[ C_V=\frac32R,\qquad \gamma=\frac53. \] In der quasistatischen Näherung mit räumlich einheitlichem Druck, die mit der Vernachlässigung der Trägheit des Gases verbunden ist, verläuft die Expansion adiabatisch: \[ nC_V\,dT=-p\,dV=-\frac{nRT}{V}\,dV. \] Folglich gilt \[ TV^{2/3}=\text{konstant}, \] sodass die Temperatur beim Austritt des Kolbens \[ \boxed{T_1=T\,2^{-2/3}} \] beträgt.
Die Geschwindigkeit des Behälters zu diesem Zeitpunkt sei \(-v_1\) mit \(v_1>0\), die Geschwindigkeit des Kolbens sei \(u_1>0\). Die Impulserhaltung ergibt unter der vorgegebenen Vernachlässigung des Gasimpulses \[ -Mv_1+mu_1=0, \qquad u_1=\frac{M}{m}v_1. \]
Die Abnahme der inneren Energie des Gases wird in kinetische Energie des Kolbens und des Behälters umgewandelt: \[ \frac12Mv_1^2+\frac12mu_1^2 =\frac32nR(T-T_1). \] Einsetzen liefert \[ \frac{M(M+m)}{2m}v_1^2 =\frac32nRT\left(1-2^{-2/3}\right), \] also \[ \boxed{ v_1= \sqrt{\frac{3mnRT}{M(M+m)} \left(1-2^{-2/3}\right)} }. \] Nach dem Austritt wirkt keine weitere Kraft auf den Kolben.
Rückstoß beim molekularen Ausströmen.
Für diese Phase wird folgende molekulare Idealisierung verwendet: Die Moleküle bewegen sich während der Entleerung frei; bei Reflexionen an der zylindrischen Seitenwand bleibt ihre axiale Geschwindigkeitskomponente erhalten; bei einer Reflexion am geschlossenen Ende kehrt sich diese Komponente um. Änderungen der Molekülgeschwindigkeiten infolge der Bewegung des Behälters werden vernachlässigt.
Ein Molekül, das sich anfangs zur Öffnung hin bewegt, tritt direkt aus. Ein Molekül, das sich anfangs zum geschlossenen Ende hin bewegt, wird reflektiert und tritt anschließend aus. Ist seine anfängliche axiale Geschwindigkeit also \(v_x\), so beträgt seine axiale Endgeschwindigkeit näherungsweise \(|v_x|\).
Es sei \(\mu\) die Masse eines Moleküls und \(k_{\mathrm B}\) die Boltzmann-Konstante. Die anfängliche Maxwell-Verteilung der axialen Geschwindigkeiten bei der Temperatur \(T_1\) lautet \[ f(v_x)= \sqrt{\frac{\mu}{2\pi k_{\mathrm B}T_1}}\, \exp\!\left(-\frac{\mu v_x^2}{2k_{\mathrm B}T_1}\right). \] Der benötigte Mittelwert, bei dem jedes anfangs vorhandene Molekül einmal gezählt wird, ist \[ \begin{aligned} \langle |v_x|\rangle &=2\int_0^\infty v_x f(v_x)\,dv_x\\ &=\sqrt{\frac{2k_{\mathrm B}T_1}{\pi\mu}} =\sqrt{\frac{2RT_1}{\pi M_0}}. \end{aligned} \]
Das Gas hat die Gesamtmasse \(nM_0\). Sein axialer Endimpuls beträgt daher \[ P_{\mathrm g} =nM_0\langle |v_x|\rangle =n\sqrt{\frac{2M_0RT_1}{\pi}}, \] und ist zur Öffnung hin gerichtet.
Die Impulserhaltung für das Gesamtsystem ergibt nun \[ -Mv_{\mathrm f}+mu_1+P_{\mathrm g}=0. \] Da \(mu_1=Mv_1\), gilt \[ v_{\mathrm f}=v_1+\frac{P_{\mathrm g}}{M}. \] Einsetzen von \(T_1=T2^{-2/3}\) ergibt \[ \boxed{ v_{\mathrm f} = \sqrt{\frac{3mnRT}{M(M+m)} \left(1-2^{-2/3}\right)} + \frac{n}{M} \sqrt{\frac{2M_0RT}{\pi\,2^{2/3}}} }. \] Beide Beiträge treiben den Behälter zu seinem geschlossenen Ende hin an.
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 1981 · Teori sorusu 1
Serbest bırakılan piston ve dışarı çıkan gazla boşalan kap
Kütlesi \(M\) olan silindir biçimindeki durgun bir kap, vakum ortamına yerleştirilmiştir. Kabın bir ucu kapalıdır. Kütlesi \(m\) ve kalınlığı ihmal edilebilir olan, sabitlenmiş bir piston, kabın hacmini iki eşit kısma ayırır. Kapalı kısımda molar kütlesi \(M_0\) ve sıcaklığı \(T\) olan \(n\) mol tek atomlu ideal gaz bulunmaktadır. Piston serbest bırakıldığında sürtünmesiz olarak hareket ederek kaptan çıkar. Ardından gaz da kaptan çıkar. Kabın son hızı nedir?
Gaz sabiti \(R\)'dir. Piston kaptan çıkıncaya kadar gazın momentumu ihmal edilebilir. Gaz, kap ve piston arasında ısı alışverişi yoktur. Gaz kaptan çıkarken sıcaklığındaki değişim ihmal edilebilir. Dünya'nın kütle çekimini hesaba katmayın.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
- Soru 1 — Aşağıda açıklanan serbest moleküler çıkış yaklaşımı altında, kabın son sürati \[ \boxed{ v_{\mathrm f} = \sqrt{\frac{3mnRT}{M(M+m)} \left(1-2^{-2/3}\right)} + \frac{n}{M} \sqrt{\frac{2M_0RT}{\pi\,2^{2/3}}} } \] olup hareket yönü kabın kapalı ucuna doğrudur. Soru metninde sayısal değer verilmemiştir. İkinci terim, çözümde belirtilen serbest moleküler çıkış modeli için geçerlidir.
Çözüm
Pozitif \(x\) yönünü silindir ekseni boyunca açık uca doğru seçelim.
Piston kabın içindeyken gerçekleşen genleşme.
Gazın başlangıç hacmi \(V_0\) olsun. Piston açık uca ulaştığında gaz \(2V_0\) hacmini kaplar.
Tek atomlu ideal bir gaz için \[ C_V=\frac32R,\qquad \gamma=\frac53. \] Gazın eylemsizliğinin ihmal edilmesine karşılık gelen, basıncın her yerde aynı olduğu yarı statik yaklaşım kullanıldığında genleşme adyabatiktir: \[ nC_V\,dT=-p\,dV=-\frac{nRT}{V}\,dV. \] Dolayısıyla \[ TV^{2/3}=\text{sabit}, \] olduğundan, piston kaptan çıktığında sıcaklık \[ \boxed{T_1=T\,2^{-2/3}}. \] olur.
O anda kabın hızını \(v_1>0\) olmak üzere \(-v_1\), pistonun hızını ise \(u_1>0\) olarak yazalım. Gazın momentumunun belirtildiği gibi ihmal edilmesiyle, momentumun korunumu \[ -Mv_1+mu_1=0, \qquad u_1=\frac{M}{m}v_1. \] sonucunu verir.
Gazın iç enerjisindeki azalma, pistonun ve kabın kinetik enerjisine dönüşür: \[ \frac12Mv_1^2+\frac12mu_1^2 =\frac32nR(T-T_1). \] Yerine koyarak \[ \frac{M(M+m)}{2m}v_1^2 =\frac32nRT\left(1-2^{-2/3}\right), \] ve buradan \[ \boxed{ v_1= \sqrt{\frac{3mnRT}{M(M+m)} \left(1-2^{-2/3}\right)} }. \] elde edilir. Piston kaptan çıktıktan sonra üzerine başka bir kuvvet etki etmez.
Moleküllerin çıkışı sırasında geri tepme.
Bu aşamada şu moleküler idealizasyonu kullanalım: boşalma sırasında moleküller serbestçe hareket eder; silindirin yan duvarından yansımalar, hızlarının eksenel bileşenini korur; kapalı uçtan yansıma ise bu bileşenin yönünü tersine çevirir. Kabın hareketinin moleküllerin süratlerinde neden olduğu değişimler ihmal edilir.
Başlangıçta açıklığa doğru hareket eden bir molekül doğrudan dışarı çıkar. Başlangıçta kapalı uca doğru hareket eden bir molekül ise yansır ve ardından dışarı çıkar. Dolayısıyla başlangıçtaki eksenel hızı \(v_x\) ise, son eksenel hızı yaklaşık olarak \(|v_x|\) olur.
Bir molekülün kütlesi \(\mu\), Boltzmann sabiti ise \(k_{\mathrm B}\) olsun. \(T_1\) sıcaklığında eksenel hızların başlangıçtaki Maxwell dağılımı \[ f(v_x)= \sqrt{\frac{\mu}{2\pi k_{\mathrm B}T_1}}\, \exp\!\left(-\frac{\mu v_x^2}{2k_{\mathrm B}T_1}\right). \] şeklindedir. Başlangıçta bulunan her molekülün bir kez sayıldığı gerekli ortalama \[ \begin{aligned} \langle |v_x|\rangle &=2\int_0^\infty v_x f(v_x)\,dv_x\\ &=\sqrt{\frac{2k_{\mathrm B}T_1}{\pi\mu}} =\sqrt{\frac{2RT_1}{\pi M_0}}. \end{aligned} \] olarak bulunur.
Gazın toplam kütlesi \(nM_0\)'dır. Dolayısıyla son eksenel momentumu \[ P_{\mathrm g} =nM_0\langle |v_x|\rangle =n\sqrt{\frac{2M_0RT_1}{\pi}}, \] olup açıklığa doğrudur.
Artık tüm sistem için momentumun korunumu \[ -Mv_{\mathrm f}+mu_1+P_{\mathrm g}=0. \] bağıntısını verir. \(mu_1=Mv_1\) olduğundan, \[ v_{\mathrm f}=v_1+\frac{P_{\mathrm g}}{M}. \] \(T_1=T2^{-2/3}\) yerine konulduğunda \[ \boxed{ v_{\mathrm f} = \sqrt{\frac{3mnRT}{M(M+m)} \left(1-2^{-2/3}\right)} + \frac{n}{M} \sqrt{\frac{2M_0RT}{\pi\,2^{2/3}}} }. \] elde edilir. Her iki katkı da kabı kapalı ucuna doğru hareket ettirir.
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi. Bu çözümün resmi çözümden ayrıldığı yerlerde resmi çözümde bir hata ya da baskı hatası vardır.
IPhO 1981 · Problema teórico 1
Recipiente vaciado por la liberación de un pistón y el escape del gas
Un recipiente de masa \(M\) y forma cilíndrica se encuentra en reposo en el vacío. Uno de sus extremos está cerrado. Un pistón inmovilizado de masa \(m\) y espesor despreciable divide el volumen del recipiente en dos partes iguales. La parte cerrada contiene \(n\) moles de gas ideal monoatómico de masa molar \(M_0\) y temperatura \(T\). Tras liberar el pistón, este sale del recipiente sin rozamiento. Después, el gas también sale del recipiente. ¿Cuál es la velocidad final del recipiente?
La constante de los gases es \(R\). Puede despreciarse la cantidad de movimiento del gas hasta que el pistón sale del recipiente. No hay intercambio de calor entre el gas, el recipiente y el pistón. Puede despreciarse el cambio de temperatura del gas al salir del recipiente. No se tenga en cuenta la gravedad terrestre.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
- Problema 1 — Con la aproximación de escape molecular libre descrita a continuación, la rapidez final del recipiente es \[ \boxed{ v_{\mathrm f} = \sqrt{\frac{3mnRT}{M(M+m)} \left(1-2^{-2/3}\right)} + \frac{n}{M} \sqrt{\frac{2M_0RT}{\pi\,2^{2/3}}} } \] y su movimiento se dirige hacia su extremo cerrado. El enunciado no proporciona valores numéricos. El segundo término es válido para el modelo de escape molecular libre planteado en la solución.
Solución
Tomemos el sentido positivo del eje \(x\) a lo largo del cilindro hacia su extremo abierto.
Expansión mientras el pistón permanece en el interior.
Sea \(V_0\) el volumen inicial del gas. Cuando el pistón alcanza el extremo abierto, el gas ocupa \(2V_0\).
Para un gas ideal monoatómico, \[ C_V=\frac32R,\qquad \gamma=\frac53. \] Utilizando la aproximación cuasiestática de presión uniforme asociada a despreciar la inercia del gas, la expansión es adiabática: \[ nC_V\,dT=-p\,dV=-\frac{nRT}{V}\,dV. \] Por consiguiente, \[ TV^{2/3}=\text{constante}, \] de modo que la temperatura cuando sale el pistón es \[ \boxed{T_1=T\,2^{-2/3}}. \]
Escribamos la velocidad del recipiente en ese instante como \(-v_1\), con \(v_1>0\), y la velocidad del pistón como \(u_1>0\). La conservación de la cantidad de movimiento, despreciando la del gas según lo estipulado, da \[ -Mv_1+mu_1=0, \qquad u_1=\frac{M}{m}v_1. \]
La disminución de la energía interna del gas se transforma en energía cinética del pistón y del recipiente: \[ \frac12Mv_1^2+\frac12mu_1^2 =\frac32nR(T-T_1). \] Al sustituir, se obtiene \[ \frac{M(M+m)}{2m}v_1^2 =\frac32nRT\left(1-2^{-2/3}\right), \] por lo que \[ \boxed{ v_1= \sqrt{\frac{3mnRT}{M(M+m)} \left(1-2^{-2/3}\right)} }. \] Después de salir, el pistón no experimenta ninguna fuerza adicional.
Retroceso durante el escape molecular.
Para esta etapa, utilizamos la siguiente idealización molecular: las moléculas se mueven libremente durante el vaciado; las reflexiones en la pared lateral cilíndrica conservan la componente axial de su velocidad; la reflexión en el extremo cerrado invierte esa componente. Se desprecian los cambios en las rapideces moleculares causados por el movimiento del recipiente.
Una molécula que inicialmente se mueve hacia la abertura escapa directamente. Una molécula que inicialmente se mueve hacia el extremo cerrado se refleja y luego escapa. Por tanto, si su velocidad axial inicial es \(v_x\), su velocidad axial final es aproximadamente \(|v_x|\).
Sea \(\mu\) la masa de una molécula y \(k_{\mathrm B}\) la constante de Boltzmann. La distribución inicial de Maxwell de las velocidades axiales a la temperatura \(T_1\) es \[ f(v_x)= \sqrt{\frac{\mu}{2\pi k_{\mathrm B}T_1}}\, \exp\!\left(-\frac{\mu v_x^2}{2k_{\mathrm B}T_1}\right). \] El valor medio requerido, contando una sola vez cada molécula presente inicialmente, es \[ \begin{aligned} \langle |v_x|\rangle &=2\int_0^\infty v_x f(v_x)\,dv_x\\ &=\sqrt{\frac{2k_{\mathrm B}T_1}{\pi\mu}} =\sqrt{\frac{2RT_1}{\pi M_0}}. \end{aligned} \]
El gas tiene una masa total de \(nM_0\). Por tanto, su cantidad de movimiento axial final es \[ P_{\mathrm g} =nM_0\langle |v_x|\rangle =n\sqrt{\frac{2M_0RT_1}{\pi}}, \] dirigida hacia la abertura.
La conservación de la cantidad de movimiento del sistema completo da ahora \[ -Mv_{\mathrm f}+mu_1+P_{\mathrm g}=0. \] Puesto que \(mu_1=Mv_1\), \[ v_{\mathrm f}=v_1+\frac{P_{\mathrm g}}{M}. \] Al introducir \(T_1=T2^{-2/3}\), se obtiene \[ \boxed{ v_{\mathrm f} = \sqrt{\frac{3mnRT}{M(M+m)} \left(1-2^{-2/3}\right)} + \frac{n}{M} \sqrt{\frac{2M_0RT}{\pi\,2^{2/3}}} }. \] Ambas contribuciones impulsan el recipiente hacia su extremo cerrado.
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 1981 · 理论题 1
活塞释放与气体逸出使容器排空
一个质量为 \(M\) 的静止圆柱形容器置于真空中。容器的一端封闭。一个质量为 \(m\)、厚度可忽略不计的固定活塞将容器的容积分成相等的两部分。封闭部分装有 \(n\) 摩尔的单原子理想气体,其摩尔质量为 \(M_0\),温度为 \(T\)。释放活塞后,活塞无摩擦地离开容器。随后,气体也逸出容器。容器的最终速度是多少?
气体常量为 \(R\)。在活塞离开容器之前,气体的动量可以忽略不计。气体、容器和活塞之间没有热交换。气体逸出容器时的温度变化可以忽略不计。不考虑地球的引力。
题目译自官方英文原文。
答案
- 题目 1 — 在下文所述的自由分子逸出近似下,容器的最终速率为 \[ \boxed{ v_{\mathrm f} = \sqrt{\frac{3mnRT}{M(M+m)} \left(1-2^{-2/3}\right)} + \frac{n}{M} \sqrt{\frac{2M_0RT}{\pi\,2^{2/3}}} } \] 方向朝向容器的封闭端。题目未给出数值。第二项适用于解答中所述的自由分子逸出模型。
解答
取沿圆柱轴线朝向开口端的方向为 \(x\) 轴正方向。
活塞仍在容器内时的膨胀。
设气体的初始体积为 \(V_0\)。当活塞到达开口端时,气体占据的体积为 \(2V_0\)。
对于单原子理想气体, \[ C_V=\frac32R,\qquad \gamma=\frac53. \] 采用与忽略气体惯性相对应的压强均匀、准静态近似,膨胀过程为绝热过程: \[ nC_V\,dT=-p\,dV=-\frac{nRT}{V}\,dV. \] 因此, \[ TV^{2/3}=\text{常量}, \] 所以活塞离开时的温度为 \[ \boxed{T_1=T\,2^{-2/3}}. \]
将该时刻容器的速度记为 \(-v_1\),其中 \(v_1>0\),活塞的速度记为 \(u_1>0\)。按题意忽略气体动量,由动量守恒得 \[ -Mv_1+mu_1=0, \qquad u_1=\frac{M}{m}v_1. \]
气体内能的减少量转化为活塞和容器的动能: \[ \frac12Mv_1^2+\frac12mu_1^2 =\frac32nR(T-T_1). \] 代入得 \[ \frac{M(M+m)}{2m}v_1^2 =\frac32nRT\left(1-2^{-2/3}\right), \] 于是 \[ \boxed{ v_1= \sqrt{\frac{3mnRT}{M(M+m)} \left(1-2^{-2/3}\right)} }. \] 活塞离开后不再受力。
分子逸出过程中的反冲。
在这一阶段,采用如下分子运动的理想化模型:在气体排空过程中,分子自由运动;分子在圆柱侧壁上的反射不改变其轴向速度分量;在封闭端的反射使该分量反向。忽略容器运动引起的分子速率变化。
初始朝开口运动的分子直接逸出。初始朝封闭端运动的分子经反射后逸出。因此,若其初始轴向速度为 \(v_x\),则其最终轴向速度近似为 \(|v_x|\)。
设 \(\mu\) 为单个分子的质量,\(k_{\mathrm B}\) 为玻尔兹曼常量。在温度 \(T_1\) 下,初始轴向速度的麦克斯韦分布为 \[ f(v_x)= \sqrt{\frac{\mu}{2\pi k_{\mathrm B}T_1}}\, \exp\!\left(-\frac{\mu v_x^2}{2k_{\mathrm B}T_1}\right). \] 对初始存在的每个分子各计数一次,所需的平均值为 \[ \begin{aligned} \langle |v_x|\rangle &=2\int_0^\infty v_x f(v_x)\,dv_x\\ &=\sqrt{\frac{2k_{\mathrm B}T_1}{\pi\mu}} =\sqrt{\frac{2RT_1}{\pi M_0}}. \end{aligned} \]
气体的总质量为 \(nM_0\)。因此,其最终轴向动量为 \[ P_{\mathrm g} =nM_0\langle |v_x|\rangle =n\sqrt{\frac{2M_0RT_1}{\pi}}, \] 方向朝向开口。
此时,由整个系统的动量守恒得 \[ -Mv_{\mathrm f}+mu_1+P_{\mathrm g}=0. \] 由于 \(mu_1=Mv_1\), \[ v_{\mathrm f}=v_1+\frac{P_{\mathrm g}}{M}. \] 代入 \(T_1=T2^{-2/3}\) 得 \[ \boxed{ v_{\mathrm f} = \sqrt{\frac{3mnRT}{M(M+m)} \left(1-2^{-2/3}\right)} + \frac{n}{M} \sqrt{\frac{2M_0RT}{\pi\,2^{2/3}}} }. \] 这两项贡献都使容器朝其封闭端运动。
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 1981 · Теоретическая задача 1
Опорожнение сосуда при освобождении поршня и истечении газа
Неподвижный сосуд массой \(M\), имеющий цилиндрическую форму, помещён в вакуум. Один из его торцов закрыт. Закреплённый поршень массой \(m\) и пренебрежимо малой толщины разделяет объём сосуда на две равные части. В закрытой части находится \(n\) молей одноатомного идеального газа с молярной массой \(M_0\) и температурой \(T\). После освобождения поршень без трения выходит из сосуда. Затем из сосуда выходит и газ. Какова конечная скорость сосуда?
Газовая постоянная равна \(R\). Импульсом газа до момента выхода поршня можно пренебречь. Теплообмен между газом, сосудом и поршнем отсутствует. Изменением температуры газа при его выходе из сосуда можно пренебречь. Притяжение Земли не учитывать.
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
- Задача 1 — В описанном ниже приближении свободномолекулярного истечения модуль конечной скорости сосуда равен \[ \boxed{ v_{\mathrm f} = \sqrt{\frac{3mnRT}{M(M+m)} \left(1-2^{-2/3}\right)} + \frac{n}{M} \sqrt{\frac{2M_0RT}{\pi\,2^{2/3}}} } \] и направлена она к его закрытому торцу. В условии не приведены численные значения. Второе слагаемое справедливо для модели свободномолекулярного истечения, принятой в решении.
Решение
Выберем положительное направление оси \(x\) вдоль цилиндра к его открытому торцу.
Расширение, пока поршень находится внутри сосуда.
Пусть начальный объём газа равен \(V_0\). Когда поршень достигает открытого торца, газ занимает объём \(2V_0\).
Для одноатомного идеального газа \[ C_V=\frac32R,\qquad \gamma=\frac53. \] В квазистатическом приближении с однородным давлением, связанном с пренебрежением инерцией газа, расширение является адиабатическим: \[ nC_V\,dT=-p\,dV=-\frac{nRT}{V}\,dV. \] Следовательно, \[ TV^{2/3}=\text{постоянная}, \] так что температура в момент выхода поршня равна \[ \boxed{T_1=T\,2^{-2/3}}. \]
Обозначим скорость сосуда в этот момент через \(-v_1\), где \(v_1>0\), а скорость поршня — через \(u_1>0\). Закон сохранения импульса с учётом предписанного условием пренебрежения импульсом газа даёт \[ -Mv_1+mu_1=0, \qquad u_1=\frac{M}{m}v_1. \]
Убыль внутренней энергии газа превращается в кинетическую энергию поршня и сосуда: \[ \frac12Mv_1^2+\frac12mu_1^2 =\frac32nR(T-T_1). \] Подстановка даёт \[ \frac{M(M+m)}{2m}v_1^2 =\frac32nRT\left(1-2^{-2/3}\right), \] откуда \[ \boxed{ v_1= \sqrt{\frac{3mnRT}{M(M+m)} \left(1-2^{-2/3}\right)} }. \] После выхода из сосуда на поршень больше не действуют силы.
Отдача при вылете молекул.
Для этого этапа используем следующую идеализированную молекулярную модель: при опорожнении сосуда молекулы движутся свободно; при отражениях от цилиндрической боковой стенки осевая составляющая их скорости сохраняется; отражение от закрытого торца меняет знак этой составляющей. Изменениями скоростей молекул, вызванными движением сосуда, пренебрегаем.
Молекула, первоначально движущаяся к отверстию, вылетает непосредственно. Молекула, первоначально движущаяся к закрытому торцу, отражается и затем вылетает. Таким образом, если её начальная осевая скорость равна \(v_x\), то её конечная осевая скорость приближённо равна \(|v_x|\).
Пусть \(\mu\) — масса одной молекулы, а \(k_{\mathrm B}\) — постоянная Больцмана. Начальное распределение Максвелла для осевых скоростей при температуре \(T_1\) имеет вид \[ f(v_x)= \sqrt{\frac{\mu}{2\pi k_{\mathrm B}T_1}}\, \exp\!\left(-\frac{\mu v_x^2}{2k_{\mathrm B}T_1}\right). \] Искомое среднее, при вычислении которого каждая первоначально находившаяся в сосуде молекула учитывается один раз, равно \[ \begin{aligned} \langle |v_x|\rangle &=2\int_0^\infty v_x f(v_x)\,dv_x\\ &=\sqrt{\frac{2k_{\mathrm B}T_1}{\pi\mu}} =\sqrt{\frac{2RT_1}{\pi M_0}}. \end{aligned} \]
Полная масса газа равна \(nM_0\). Поэтому его конечный осевой импульс равен \[ P_{\mathrm g} =nM_0\langle |v_x|\rangle =n\sqrt{\frac{2M_0RT_1}{\pi}}, \] и направлен к отверстию.
Теперь закон сохранения импульса для всей системы даёт \[ -Mv_{\mathrm f}+mu_1+P_{\mathrm g}=0. \] Поскольку \(mu_1=Mv_1\), \[ v_{\mathrm f}=v_1+\frac{P_{\mathrm g}}{M}. \] Подставляя \(T_1=T2^{-2/3}\), получаем \[ \boxed{ v_{\mathrm f} = \sqrt{\frac{3mnRT}{M(M+m)} \left(1-2^{-2/3}\right)} + \frac{n}{M} \sqrt{\frac{2M_0RT}{\pi\,2^{2/3}}} }. \] Оба вклада сообщают сосуду скорость в направлении его закрытого торца.
Решение проверено по официальному решению. Там, где это решение расходится с официальным, в официальном решении есть ошибка или опечатка.
IPhO 1981 · مسألة نظرية 1
إفراغ وعاء بتحرير مكبس وخروج الغاز
يوضع وعاء ساكن كتلته \(M\) وشكله أسطواني في الفراغ. أحد طرفيه مغلق. يقسم مكبس مثبت كتلته \(m\) وسُمكه مهمل حجم الوعاء إلى جزأين متساويين. يحتوي الجزء المغلق على \(n\) مول من غاز مثالي أحادي الذرة، كتلته المولية \(M_0\) ودرجة حرارته \(T\). بعد تحرير المكبس، يخرج من الوعاء دون احتكاك. وبعد ذلك يخرج الغاز أيضًا من الوعاء. ما السرعة النهائية للوعاء؟
ثابت الغازات هو \(R\). يمكن إهمال كمية حركة الغاز حتى خروج المكبس. لا يحدث تبادل حراري بين الغاز والوعاء والمكبس. ويمكن إهمال تغير درجة حرارة الغاز عند خروجه من الوعاء. أهمل جاذبية الأرض.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
- المسألة 1 — وفق تقريب الخروج الجزيئي الحر الموضح أدناه، يكون مقدار السرعة النهائية للوعاء \[ \boxed{ v_{\mathrm f} = \sqrt{\frac{3mnRT}{M(M+m)} \left(1-2^{-2/3}\right)} + \frac{n}{M} \sqrt{\frac{2M_0RT}{\pi\,2^{2/3}}} } \] ويكون اتجاهها نحو طرفه المغلق. لا يتضمن نص المسألة أي قيم عددية. ويصحّ الحد الثاني في إطار نموذج الخروج الجزيئي الحر المبيَّن في الحل.
الحل
نختار الاتجاه الموجب لمحور \(x\) على امتداد الأسطوانة نحو طرفها المفتوح.
التمدد ما دام المكبس داخل الوعاء.
ليكن حجم الغاز الابتدائي \(V_0\). عندما يصل المكبس إلى الطرف المفتوح، يشغل الغاز حجمًا مقداره \(2V_0\).
بالنسبة إلى غاز مثالي أحادي الذرة، \[ C_V=\frac32R,\qquad \gamma=\frac53. \] باستخدام تقريب الضغط المنتظم والعملية شبه الساكنة المرتبط بإهمال قصور الغاز الذاتي، يكون التمدد كظوميًا: \[ nC_V\,dT=-p\,dV=-\frac{nRT}{V}\,dV. \] ومن ثم، \[ TV^{2/3}=\text{ثابت}, \] فتكون درجة الحرارة عند خروج المكبس \[ \boxed{T_1=T\,2^{-2/3}}. \]
نكتب سرعة الوعاء في تلك اللحظة على الصورة \(-v_1\)، حيث \(v_1>0\)، وسرعة المكبس على الصورة \(u_1>0\). يعطي انحفاظ كمية الحركة، مع إهمال كمية حركة الغاز وفقًا لما ينص عليه السؤال، \[ -Mv_1+mu_1=0, \qquad u_1=\frac{M}{m}v_1. \]
يتحول النقص في الطاقة الداخلية للغاز إلى طاقة حركية للمكبس والوعاء: \[ \frac12Mv_1^2+\frac12mu_1^2 =\frac32nR(T-T_1). \] بالتعويض نحصل على \[ \frac{M(M+m)}{2m}v_1^2 =\frac32nRT\left(1-2^{-2/3}\right), \] ومن ثم \[ \boxed{ v_1= \sqrt{\frac{3mnRT}{M(M+m)} \left(1-2^{-2/3}\right)} }. \] بعد خروج المكبس، لا تؤثر فيه أي قوة أخرى.
الارتداد أثناء خروج الجزيئات.
نستخدم في هذه المرحلة النموذج الجزيئي المثالي الآتي: تتحرك الجزيئات بحرية أثناء إفراغ الوعاء؛ وتحافظ انعكاساتها عن الجدار الجانبي الأسطواني على المركبة المحورية لسرعتها؛ أما انعكاسها عن الطرف المغلق فيعكس اتجاه تلك المركبة. ونهمل التغيرات في مقادير سرعات الجزيئات الناجمة عن حركة الوعاء.
يخرج مباشرةً كل جزيء يتحرك في البداية نحو الفتحة. أما الجزيء الذي يتحرك في البداية نحو الطرف المغلق فينعكس ثم يخرج. وهكذا، إذا كانت سرعته المحورية الابتدائية \(v_x\)، فإن سرعته المحورية النهائية تساوي تقريبًا \(|v_x|\).
لتكن \(\mu\) كتلة الجزيء الواحد، و\(k_{\mathrm B}\) ثابت بولتزمان. يكون توزيع ماكسويل الابتدائي للسرعات المحورية عند درجة الحرارة \(T_1\) هو \[ f(v_x)= \sqrt{\frac{\mu}{2\pi k_{\mathrm B}T_1}}\, \exp\!\left(-\frac{\mu v_x^2}{2k_{\mathrm B}T_1}\right). \] والمتوسط المطلوب، باحتساب كل جزيء موجود في البداية مرة واحدة، هو \[ \begin{aligned} \langle |v_x|\rangle &=2\int_0^\infty v_x f(v_x)\,dv_x\\ &=\sqrt{\frac{2k_{\mathrm B}T_1}{\pi\mu}} =\sqrt{\frac{2RT_1}{\pi M_0}}. \end{aligned} \]
تبلغ الكتلة الكلية للغاز \(nM_0\). لذلك تكون كمية حركته المحورية النهائية \[ P_{\mathrm g} =nM_0\langle |v_x|\rangle =n\sqrt{\frac{2M_0RT_1}{\pi}}, \] واتجاهها نحو الفتحة.
يعطي انحفاظ كمية الحركة للنظام الكامل الآن \[ -Mv_{\mathrm f}+mu_1+P_{\mathrm g}=0. \] وبما أن \(mu_1=Mv_1\)، فإن \[ v_{\mathrm f}=v_1+\frac{P_{\mathrm g}}{M}. \] بالتعويض بـ \(T_1=T2^{-2/3}\) نحصل على \[ \boxed{ v_{\mathrm f} = \sqrt{\frac{3mnRT}{M(M+m)} \left(1-2^{-2/3}\right)} + \frac{n}{M} \sqrt{\frac{2M_0RT}{\pi\,2^{2/3}}} }. \] يدفع كلا الإسهامين الوعاء نحو طرفه المغلق.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي. حيثما يختلف هذا الحل عن الحل الرسمي، يحتوي الحل الرسمي على خطأ أو خطأ مطبعي.