IPhO 1999 · Theory problem 1
Absorption of radiation by a gas
A cylindrical vessel, with its axis vertical, contains a molecular gas at thermodynamic equilibrium. The upper base of the cylinder can be displaced freely and is made out of a glass plate; let's assume that there is no gas leakage and that the friction between glass plate and cylinder walls is just sufficient to damp oscillations but doesn't involve any significant loss of energy with respect to the other energies involved. Initially the gas temperature is equal to that of the surrounding environment. The gas can be considered as perfect within a good approximation. Let's assume that the cylinder walls (including the bases) have a very low thermal conductivity and capacity, and therefore the heat transfer between gas and environment is very slow, and can be neglected in the solution of this problem.
Through the glass plate we send into the cylinder the light emitted by a constant power laser; this radiation is easily transmitted by air and glass but is completely absorbed by the gas inside the vessel. By absorbing this radiation the molecules reach excited states, where they quickly emit infrared radiation returning in steps to the molecular ground state; this infrared radiation, however, is further absorbed by other molecules and is reflected by the vessel walls, including the glass plate. The energy absorbed from the laser is therefore transferred in a very short time into thermal movement (molecular chaos) and thereafter stays in the gas for a sufficiently long time.
We observe that the glass plate moves upwards; after a certain irradiation time we switch the laser off and we measure this displacement.
- Using the data below and - if necessary - those on the sheet with physical constants, compute the temperature and the pressure of the gas after the irradiation. [2 points]
- Compute the mechanical work carried out by the gas as a consequence of the radiation absorption. [1 point]
- Compute the radiant energy absorbed during the irradiation. [2 points]
- Compute the power emitted by the laser that is absorbed by the gas, and the corresponding number of photons (and thus of elementary absorption processes) per unit time. [1.5 points]
- Compute the efficiency of the conversion process of optical energy into a change of mechanical potential energy of the glass plate. [1 point]
Thereafter the cylinder axis is slowly rotated by 90°, bringing it into a horizontal direction. The heat exchanges between gas and vessel can still be neglected.
- State whether the pressure and/or the temperature of the gas change as a consequence of such a rotation, and - if that is the case – what is its/their new value. [2.5 points]
Data
Room pressure: \(p_0 = 101.3\ \mathrm{kPa}\)
Room temperature: \(T_0 = 20.0^\circ\mathrm{C}\)
Inner diameter of the cylinder: \(2r = 100\ \mathrm{mm}\)
Mass of the glass plate: \(m = 800\ \mathrm{g}\)
Quantity of gas within the vessel: \(n = 0.100\ \mathrm{mol}\)
Molar specific heat at constant volume of the gas: \(c_V = 20.8\ \mathrm{J/(mol\cdot K)}\)
Emission wavelength of the laser: \(\lambda = 514\ \mathrm{nm}\)
Irradiation time: \(\Delta t = 10.0\ \mathrm{s}\)
Displacement of the movable plate after irradiation: \(\Delta s = 30.0\ \mathrm{mm}\)
Physical constants and general data
In addition to the numerical data given within the text of the individual problems, the knowledge of some general data and physical constants may be useful, and you may find them among the following ones. These are nearly the most accurate data currently available, and they have thus a large number of digits; you are expected, however, to write your results with a number of digits that must be appropriate for each problem.
Speed of light in vacuum: \(c = 299792458\ \mathrm{m\cdot s^{-1}}\)
Magnetic permeability of vacuum: \(\mu_0 = 4\pi\cdot10^{-7}\ \mathrm{H\cdot m^{-1}}\)
Dielectric constant of vacuum: \(\varepsilon_0 = 8.8541878\ \mathrm{pF\cdot m^{-1}}\)
Gravitational constant: \(G = 6.67259\cdot10^{-11}\ \mathrm{m^3/(kg\cdot s^2)}\)
Gas constant: \(R = 8.314510\ \mathrm{J/(mol\cdot K)}\)
Boltzmann's constant: \(k = 1.380658\cdot10^{-23}\ \mathrm{J\cdot K^{-1}}\)
Stefan's constant: \(\sigma = 56.703\ \mathrm{nW/(m^2\cdot K^4)}\)
Proton charge: \(e = 1.60217733\cdot10^{-19}\ \mathrm{C}\)
Electron mass: \(m_e = 9.1093897\cdot10^{-31}\ \mathrm{kg}\)
Planck's constant: \(h = 6.6260755\cdot10^{-34}\ \mathrm{J\cdot s}\)
Base of centigrade scale: \(T_K = 273.15\ \mathrm{K}\)
Sun mass: \(M_S = 1.991\cdot10^{30}\ \mathrm{kg}\)
Earth mass: \(M_E = 5.979\cdot10^{24}\ \mathrm{kg}\)
Mean radius of Earth: \(r_E = 6.373\ \mathrm{Mm}\)
Major semiaxis of Earth orbit: \(R_E = 1.4957\cdot10^{11}\ \mathrm{m}\)
Sidereal day: \(d_S = 86.16406\ \mathrm{ks}\)
Year: \(y = 31.558150\ \mathrm{Ms}\)
Standard value of the gravitational field at the Earth surface: \(g = 9.80665\ \mathrm{m\cdot s^{-2}}\)
Standard value of the atmospheric pressure at sea level: \(p_0 = 101325\ \mathrm{Pa}\)
Refractive index of air for visibile light, at standard pressure and \(15^\circ\mathrm{C}\): \(n_{\mathrm{air}} = 1.000277\)
Solar constant: \(S = 1355\ \mathrm{W\cdot m^{-2}}\)
Jupiter mass: \(M = 1.901\cdot10^{27}\ \mathrm{kg}\)
Equatorial Jupiter radius: \(R_B = 69.8\ \mathrm{Mm}\)
Average radius of Jupiter’s orbit: \(R = 7.783\cdot10^{11}\ \mathrm{m}\)
Jovian day: \(d_J = 35.6\ \mathrm{ks}\)
Jovian year: \(y_J = 374.32\ \mathrm{Ms}\)
\(\pi\): \(3.14159265\)
Official English text of the problem.
Answers
-
After irradiation: \[ \boxed{T_1=322.1\ \mathrm{K}=49.0^\circ\mathrm{C},\qquad p_1=102.3\ \mathrm{kPa}.} \]
-
Mechanical work done by the gas: \[ \boxed{W=24.1\ \mathrm{J}.} \]
-
Radiant energy absorbed: \[ \boxed{E_{\mathrm{abs}}=84.4\ \mathrm{J}.} \]
-
Absorbed laser power and photon absorption rate: \[ \boxed{P_{\mathrm{abs}}=8.44\ \mathrm{W},\qquad \dot N=2.18\times10^{19}\ \mathrm{s^{-1}}.} \]
-
Efficiency for increasing the plate’s gravitational potential energy: \[ \boxed{\eta=2.79\times10^{-3}=0.279\%.} \]
-
Both pressure and temperature decrease. After rotation: \[ \boxed{p_2=101.3\ \mathrm{kPa},\qquad T_2=321.2\ \mathrm{K}=48.1^\circ\mathrm{C}.} \]
Solution
We use the ideal-gas approximation, the given constant molar heat capacity, and negligible heat leakage and frictional energy loss. Initial and final states have no macroscopic kinetic energy. The room pressure used below is the problem-specific value \(p_0=101.3\ \mathrm{kPa}\).
The cylinder cross-sectional area and the measured volume increase are \[ A=\pi r^2=\pi(0.0500)^2 =7.85398\times10^{-3}\ \mathrm{m^2}, \] \[ \Delta V=A\Delta s =(7.85398\times10^{-3})(0.0300) =2.35619\times10^{-4}\ \mathrm{m^3}. \]
1. Temperature and pressure after irradiation
In vertical mechanical equilibrium, the upward force of the gas balances atmospheric pressure and the plate’s weight: \[ p_1A=p_0A+mg. \] Thus \[ p_1=p_0+\frac{mg}{A} =101300+\frac{(0.800)(9.80665)}{7.85398\times10^{-3}} =102298.9\ \mathrm{Pa}. \] The same balance applies before irradiation, so the initial and final gas pressures are equal: \[ \boxed{p_1=102.3\ \mathrm{kPa}.} \]
Let \(V_0\) and \(V_1\) be the gas volumes before and after irradiation. Applying the ideal-gas law to both states, \[ p_1V_0=nRT_0,\qquad p_1V_1=nRT_1. \] Subtracting gives \[ p_1\Delta V=nR(T_1-T_0). \] With \(T_0=293.15\ \mathrm{K}\), \[ T_1-T_0 =\frac{(102298.9)(2.35619\times10^{-4})} {(0.100)(8.314510)} =28.9898\ \mathrm{K}. \] Therefore \[ \boxed{T_1=322.1\ \mathrm{K}=49.0^\circ\mathrm{C}.} \]
2. Mechanical work done by the gas
The opposing force \(p_0A+mg\) is constant. With negligible frictional loss and zero initial and final plate kinetic energy, the gas does work \[ W=(p_0A+mg)\Delta s =p_0\Delta V+mg\Delta s =p_1\Delta V. \] Numerically, \[ W=(102298.9)(2.35619\times10^{-4}) =24.1036\ \mathrm{J}, \] so \[ \boxed{W=24.1\ \mathrm{J}.} \]
This consists of \(23.8683\ \mathrm{J}\) of work against atmospheric pressure and \(0.235360\ \mathrm{J}\) of work lifting the plate.
3. Radiant energy absorbed
The absorbed radiation rapidly becomes thermal energy. Energy conservation, with work positive when done by the gas, gives \[ E_{\mathrm{abs}}=\Delta U+W. \] For the ideal gas, \[ \Delta U=nc_V(T_1-T_0) =(0.100)(20.8)(28.9898) =60.2988\ \mathrm{J}. \] Consequently, \[ E_{\mathrm{abs}}=60.2988+24.1036 =84.4024\ \mathrm{J}, \] or \[ \boxed{E_{\mathrm{abs}}=84.4\ \mathrm{J}.} \]
Equivalently, because \(W=nR(T_1-T_0)\), \[ E_{\mathrm{abs}}=n(c_V+R)(T_1-T_0)=nc_P(T_1-T_0), \] where \[ c_P=c_V+R=29.114510\ \mathrm{J\,mol^{-1}K^{-1}}. \]
4. Absorbed power and photon absorption rate
The laser power is constant, hence \[ P_{\mathrm{abs}}=\frac{E_{\mathrm{abs}}}{\Delta t} =\frac{84.4024}{10.0} =\boxed{8.44\ \mathrm{W}}. \]
Each incident laser photon has energy \[ \varepsilon_\gamma=\frac{hc}{\lambda} =\frac{(6.6260755\times10^{-34})(299792458)} {514\times10^{-9}} =3.86468\times10^{-19}\ \mathrm{J}. \] All incident laser photons entering the gas are absorbed, so their absorption rate is \[ \dot N=\frac{P_{\mathrm{abs}}}{\varepsilon_\gamma} =\frac{8.44024}{3.86468\times10^{-19}} =\boxed{2.18\times10^{19}\ \mathrm{s^{-1}}}. \] This is also the rate of elementary absorption events for the laser photons.
5. Efficiency of conversion into the plate’s potential energy
The plate’s gravitational potential energy increases by \[ \Delta E_{\mathrm{pot}}=mg\Delta s =(0.800)(9.80665)(0.0300) =0.235360\ \mathrm{J}. \] Therefore the requested efficiency is \[ \eta=\frac{\Delta E_{\mathrm{pot}}}{E_{\mathrm{abs}}} =\frac{0.235360}{84.4024} =2.78854\times10^{-3}. \] Thus \[ \boxed{\eta=2.79\times10^{-3}=0.279\%.} \] Its small value reflects the energy used to heat the gas and to displace the surrounding atmosphere.
6. Pressure and temperature after rotation
Let \(\theta\) be the angle between the cylinder axis and the upward vertical. During the slow rotation, axial mechanical equilibrium gives \[ p(\theta)A=p_0A+mg\cos\theta, \] so \[ p(\theta)=p_0+\frac{mg}{A}\cos\theta. \] At \(\theta=90^\circ\), the plate’s weight has no axial component. Hence \[ \boxed{p_2=p_0=101.3\ \mathrm{kPa}.} \]
The rotation is slow, and heat exchange and frictional dissipation are negligible. The gas therefore undergoes a quasistatic adiabatic expansion. The first law gives \[ nc_V\,dT=-p\,dV. \] Using \(p=nRT/V\), \[ c_V\frac{dT}{T}=-R\frac{dV}{V}. \] Integration yields \[ TV^{R/c_V}=\text{constant}, \] or, defining \[ \gamma=\frac{c_P}{c_V} =\frac{c_V+R}{c_V} =1.399736, \] \[ TV^{\gamma-1}=\text{constant}. \]
Eliminating volume with the ideal-gas law gives \[ \frac{T_2}{T_1} =\left(\frac{p_2}{p_1}\right)^{(\gamma-1)/\gamma} =\left(\frac{p_0}{p_1}\right)^{R/(c_V+R)}. \] Therefore \[ T_2 =322.1398 \left(\frac{101300}{102298.9}\right)^{8.314510/29.114510} =321.2384\ \mathrm{K}. \] Thus \[ \boxed{T_2=321.2\ \mathrm{K}=48.1^\circ\mathrm{C}.} \]
Both pressure and temperature decrease; the temperature falls by approximately \(0.90\ \mathrm{K}\) because the expanding gas supplies work from its internal energy.
The solution was checked against the official solution.
IPhO 1999 · Theorieaufgabe 1
Absorption von Strahlung durch ein Gas
Ein zylindrisches Gefäß mit vertikaler Achse enthält ein molekulares Gas im thermodynamischen Gleichgewicht. Die obere Grundfläche des Zylinders besteht aus einer frei verschiebbaren Glasplatte; wir nehmen an, dass kein Gas entweicht und die Reibung zwischen der Glasplatte und den Zylinderwänden gerade ausreicht, um Schwingungen zu dämpfen, aber im Vergleich zu den anderen beteiligten Energien keinen nennenswerten Energieverlust verursacht. Anfangs ist die Temperatur des Gases gleich der Umgebungstemperatur. Das Gas kann in guter Näherung als ideal betrachtet werden. Wir nehmen an, dass die Zylinderwände (einschließlich der Grundflächen) eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität haben, sodass der Wärmeaustausch zwischen Gas und Umgebung sehr langsam erfolgt und bei der Lösung dieser Aufgabe vernachlässigt werden kann.
Durch die Glasplatte senden wir das Licht eines Lasers mit konstanter Leistung in den Zylinder; diese Strahlung wird von Luft und Glas gut durchgelassen, vom Gas im Gefäß jedoch vollständig absorbiert. Durch die Absorption dieser Strahlung gelangen die Moleküle in angeregte Zustände, aus denen sie unter rascher Emission von Infrarotstrahlung schrittweise in den molekularen Grundzustand zurückkehren; diese Infrarotstrahlung wird jedoch wiederum von anderen Molekülen absorbiert und von den Gefäßwänden einschließlich der Glasplatte reflektiert. Die vom Laser absorbierte Energie wird daher in sehr kurzer Zeit in thermische Bewegung (ungeordnete Molekülbewegung) umgewandelt und verbleibt anschließend hinreichend lange im Gas.
Wir beobachten, dass sich die Glasplatte nach oben bewegt; nach einer bestimmten Bestrahlungsdauer schalten wir den Laser aus und messen diese Verschiebung.
- Berechnen Sie anhand der nachstehenden Daten und – falls erforderlich – der Angaben auf dem Blatt mit den physikalischen Konstanten die Temperatur und den Druck des Gases nach der Bestrahlung. [2 Punkte]
- Berechnen Sie die mechanische Arbeit, die das Gas infolge der Strahlungsabsorption verrichtet. [1 Punkt]
- Berechnen Sie die während der Bestrahlung absorbierte Strahlungsenergie. [2 Punkte]
- Berechnen Sie die vom Laser ausgesandte und vom Gas absorbierte Leistung sowie die entsprechende Anzahl von Photonen (und damit von elementaren Absorptionsvorgängen) pro Zeiteinheit. [1.5 Punkte]
- Berechnen Sie den Wirkungsgrad der Umwandlung optischer Energie in eine Änderung der mechanischen potenziellen Energie der Glasplatte. [1 Punkt]
Anschließend wird die Zylinderachse langsam um 90° gedreht, sodass sie horizontal liegt. Der Wärmeaustausch zwischen Gas und Gefäß kann weiterhin vernachlässigt werden.
- Geben Sie an, ob sich der Druck und/oder die Temperatur des Gases infolge dieser Drehung ändern, und bestimmen Sie gegebenenfalls den jeweiligen neuen Wert. [2.5 Punkte]
Daten
Umgebungsdruck: \(p_0 = 101.3\ \mathrm{kPa}\)
Umgebungstemperatur: \(T_0 = 20.0^\circ\mathrm{C}\)
Innendurchmesser des Zylinders: \(2r = 100\ \mathrm{mm}\)
Masse der Glasplatte: \(m = 800\ \mathrm{g}\)
Stoffmenge des Gases im Gefäß: \(n = 0.100\ \mathrm{mol}\)
Molare Wärmekapazität des Gases bei konstantem Volumen: \(c_V = 20.8\ \mathrm{J/(mol\cdot K)}\)
Emissionswellenlänge des Lasers: \(\lambda = 514\ \mathrm{nm}\)
Bestrahlungsdauer: \(\Delta t = 10.0\ \mathrm{s}\)
Verschiebung der beweglichen Platte nach der Bestrahlung: \(\Delta s = 30.0\ \mathrm{mm}\)
Physikalische Konstanten und allgemeine Daten
Zusätzlich zu den im Text der einzelnen Aufgaben angegebenen Zahlenwerten kann die Kenntnis einiger allgemeiner Daten und physikalischer Konstanten nützlich sein; diese finden Sie in der folgenden Zusammenstellung. Es handelt sich um nahezu die genauesten derzeit verfügbaren Werte, weshalb sie eine große Anzahl von Ziffern aufweisen; Ihre Ergebnisse sollen Sie jedoch mit einer der jeweiligen Aufgabe angemessenen Anzahl von Ziffern angeben.
Lichtgeschwindigkeit im Vakuum: \(c = 299792458\ \mathrm{m\cdot s^{-1}}\)
Magnetische Permeabilität des Vakuums: \(\mu_0 = 4\pi\cdot10^{-7}\ \mathrm{H\cdot m^{-1}}\)
Elektrische Permittivität des Vakuums: \(\varepsilon_0 = 8.8541878\ \mathrm{pF\cdot m^{-1}}\)
Gravitationskonstante: \(G = 6.67259\cdot10^{-11}\ \mathrm{m^3/(kg\cdot s^2)}\)
Gaskonstante: \(R = 8.314510\ \mathrm{J/(mol\cdot K)}\)
Boltzmann-Konstante: \(k = 1.380658\cdot10^{-23}\ \mathrm{J\cdot K^{-1}}\)
Stefan-Boltzmann-Konstante: \(\sigma = 56.703\ \mathrm{nW/(m^2\cdot K^4)}\)
Protonenladung: \(e = 1.60217733\cdot10^{-19}\ \mathrm{C}\)
Elektronenmasse: \(m_e = 9.1093897\cdot10^{-31}\ \mathrm{kg}\)
Plancksches Wirkungsquantum: \(h = 6.6260755\cdot10^{-34}\ \mathrm{J\cdot s}\)
Nullpunkt der Celsius-Skala: \(T_K = 273.15\ \mathrm{K}\)
Sonnenmasse: \(M_S = 1.991\cdot10^{30}\ \mathrm{kg}\)
Erdmasse: \(M_E = 5.979\cdot10^{24}\ \mathrm{kg}\)
Mittlerer Erdradius: \(r_E = 6.373\ \mathrm{Mm}\)
Große Halbachse der Erdbahn: \(R_E = 1.4957\cdot10^{11}\ \mathrm{m}\)
Siderischer Tag: \(d_S = 86.16406\ \mathrm{ks}\)
Jahr: \(y = 31.558150\ \mathrm{Ms}\)
Normwert der Gravitationsfeldstärke an der Erdoberfläche: \(g = 9.80665\ \mathrm{m\cdot s^{-2}}\)
Normwert des atmosphärischen Drucks auf Meereshöhe: \(p_0 = 101325\ \mathrm{Pa}\)
Brechungsindex von Luft für sichtbares Licht bei Normaldruck und \(15^\circ\mathrm{C}\): \(n_{\mathrm{air}} = 1.000277\)
Solarkonstante: \(S = 1355\ \mathrm{W\cdot m^{-2}}\)
Jupitermasse: \(M = 1.901\cdot10^{27}\ \mathrm{kg}\)
Äquatorradius des Jupiters: \(R_B = 69.8\ \mathrm{Mm}\)
Mittlerer Radius der Jupiterbahn: \(R = 7.783\cdot10^{11}\ \mathrm{m}\)
Jupitertag: \(d_J = 35.6\ \mathrm{ks}\)
Jupiterjahr: \(y_J = 374.32\ \mathrm{Ms}\)
\(\pi\): \(3.14159265\)
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
-
Nach der Bestrahlung: \[ \boxed{T_1=322.1\ \mathrm{K}=49.0^\circ\mathrm{C},\qquad p_1=102.3\ \mathrm{kPa}.} \]
-
Vom Gas verrichtete mechanische Arbeit: \[ \boxed{W=24.1\ \mathrm{J}.} \]
-
Absorbierte Strahlungsenergie: \[ \boxed{E_{\mathrm{abs}}=84.4\ \mathrm{J}.} \]
-
Absorbierte Laserleistung und Photonenabsorptionsrate: \[ \boxed{P_{\mathrm{abs}}=8.44\ \mathrm{W},\qquad \dot N=2.18\times10^{19}\ \mathrm{s^{-1}}.} \]
-
Wirkungsgrad für die Erhöhung der potenziellen Energie der Platte im Schwerefeld: \[ \boxed{\eta=2.79\times10^{-3}=0.279\%.} \]
-
Sowohl Druck als auch Temperatur nehmen ab. Nach der Drehung: \[ \boxed{p_2=101.3\ \mathrm{kPa},\qquad T_2=321.2\ \mathrm{K}=48.1^\circ\mathrm{C}.} \]
Lösung
Wir verwenden die Näherung eines idealen Gases und die angegebene konstante molare Wärmekapazität und vernachlässigen Wärmeverluste sowie Energieverluste durch Reibung. Im Anfangs- und Endzustand liegt keine makroskopische kinetische Energie vor. Als Umgebungsdruck verwenden wir im Folgenden den in der Aufgabe angegebenen Wert \(p_0=101.3\ \mathrm{kPa}\).
Die Querschnittsfläche des Zylinders und die gemessene Volumenzunahme betragen \[ A=\pi r^2=\pi(0.0500)^2 =7.85398\times10^{-3}\ \mathrm{m^2}, \] \[ \Delta V=A\Delta s =(7.85398\times10^{-3})(0.0300) =2.35619\times10^{-4}\ \mathrm{m^3}. \]
1. Temperatur und Druck nach der Bestrahlung
Im mechanischen Gleichgewicht bei vertikaler Zylinderachse gleicht die nach oben gerichtete Kraft des Gases die Kraft des atmosphärischen Drucks und die Gewichtskraft der Platte aus: \[ p_1A=p_0A+mg. \] Somit gilt \[ p_1=p_0+\frac{mg}{A} =101300+\frac{(0.800)(9.80665)}{7.85398\times10^{-3}} =102298.9\ \mathrm{Pa}. \] Dasselbe Kräftegleichgewicht gilt vor der Bestrahlung, sodass der Gasdruck im Anfangs- und Endzustand gleich ist: \[ \boxed{p_1=102.3\ \mathrm{kPa}.} \]
Es seien \(V_0\) und \(V_1\) die Gasvolumina vor und nach der Bestrahlung. Die Anwendung der idealen Gasgleichung auf beide Zustände ergibt \[ p_1V_0=nRT_0,\qquad p_1V_1=nRT_1. \] Durch Subtraktion folgt \[ p_1\Delta V=nR(T_1-T_0). \] Mit \(T_0=293.15\ \mathrm{K}\) erhält man \[ T_1-T_0 =\frac{(102298.9)(2.35619\times10^{-4})} {(0.100)(8.314510)} =28.9898\ \mathrm{K}. \] Daher gilt \[ \boxed{T_1=322.1\ \mathrm{K}=49.0^\circ\mathrm{C}.} \]
2. Vom Gas verrichtete mechanische Arbeit
Die entgegenwirkende Kraft \(p_0A+mg\) ist konstant. Bei vernachlässigbaren Reibungsverlusten und verschwindender kinetischer Energie der Platte im Anfangs- und Endzustand verrichtet das Gas die Arbeit \[ W=(p_0A+mg)\Delta s =p_0\Delta V+mg\Delta s =p_1\Delta V. \] Numerisch ergibt sich \[ W=(102298.9)(2.35619\times10^{-4}) =24.1036\ \mathrm{J}, \] also \[ \boxed{W=24.1\ \mathrm{J}.} \]
Diese Arbeit setzt sich aus \(23.8683\ \mathrm{J}\) Arbeit gegen den atmosphärischen Druck und \(0.235360\ \mathrm{J}\) Hubarbeit an der Platte zusammen.
3. Absorbierte Strahlungsenergie
Die absorbierte Strahlung wird rasch in thermische Energie umgewandelt. Aus der Energieerhaltung folgt, wobei vom Gas verrichtete Arbeit positiv gezählt wird, \[ E_{\mathrm{abs}}=\Delta U+W. \] Für das ideale Gas gilt \[ \Delta U=nc_V(T_1-T_0) =(0.100)(20.8)(28.9898) =60.2988\ \mathrm{J}. \] Folglich ist \[ E_{\mathrm{abs}}=60.2988+24.1036 =84.4024\ \mathrm{J}, \] oder \[ \boxed{E_{\mathrm{abs}}=84.4\ \mathrm{J}.} \]
Wegen \(W=nR(T_1-T_0)\) kann man gleichwertig schreiben: \[ E_{\mathrm{abs}}=n(c_V+R)(T_1-T_0)=nc_P(T_1-T_0), \] wobei \[ c_P=c_V+R=29.114510\ \mathrm{J\,mol^{-1}K^{-1}}. \]
4. Absorbierte Leistung und Photonenabsorptionsrate
Die Laserleistung ist konstant, daher gilt \[ P_{\mathrm{abs}}=\frac{E_{\mathrm{abs}}}{\Delta t} =\frac{84.4024}{10.0} =\boxed{8.44\ \mathrm{W}}. \]
Jedes einfallende Laserphoton hat die Energie \[ \varepsilon_\gamma=\frac{hc}{\lambda} =\frac{(6.6260755\times10^{-34})(299792458)} {514\times10^{-9}} =3.86468\times10^{-19}\ \mathrm{J}. \] Alle einfallenden Laserphotonen, die in das Gas eintreten, werden absorbiert. Ihre Absorptionsrate beträgt daher \[ \dot N=\frac{P_{\mathrm{abs}}}{\varepsilon_\gamma} =\frac{8.44024}{3.86468\times10^{-19}} =\boxed{2.18\times10^{19}\ \mathrm{s^{-1}}}. \] Dies ist zugleich die Rate der elementaren Absorptionsvorgänge für die Laserphotonen.
5. Wirkungsgrad der Umwandlung in potenzielle Energie der Platte
Die potenzielle Energie der Platte im Schwerefeld nimmt zu um \[ \Delta E_{\mathrm{pot}}=mg\Delta s =(0.800)(9.80665)(0.0300) =0.235360\ \mathrm{J}. \] Der gesuchte Wirkungsgrad ist daher \[ \eta=\frac{\Delta E_{\mathrm{pot}}}{E_{\mathrm{abs}}} =\frac{0.235360}{84.4024} =2.78854\times10^{-3}. \] Somit gilt \[ \boxed{\eta=2.79\times10^{-3}=0.279\%.} \] Sein kleiner Wert erklärt sich durch die Energie, die zum Erwärmen des Gases und zum Verdrängen der umgebenden Atmosphäre benötigt wird.
6. Druck und Temperatur nach der Drehung
Es sei \(\theta\) der Winkel zwischen der Zylinderachse und der nach oben gerichteten Vertikalen. Während der langsamen Drehung ergibt das mechanische Gleichgewicht in axialer Richtung \[ p(\theta)A=p_0A+mg\cos\theta, \] also \[ p(\theta)=p_0+\frac{mg}{A}\cos\theta. \] Bei \(\theta=90^\circ\) hat die Gewichtskraft der Platte keine axiale Komponente. Daher gilt \[ \boxed{p_2=p_0=101.3\ \mathrm{kPa}.} \]
Die Drehung erfolgt langsam, und Wärmeaustausch sowie Reibungsdissipation sind vernachlässigbar. Das Gas durchläuft daher eine quasistatische adiabatische Expansion. Der erste Hauptsatz liefert \[ nc_V\,dT=-p\,dV. \] Mit \(p=nRT/V\) folgt \[ c_V\frac{dT}{T}=-R\frac{dV}{V}. \] Integration ergibt \[ TV^{R/c_V}=\text{konstant}, \] oder, mit der Definition \[ \gamma=\frac{c_P}{c_V} =\frac{c_V+R}{c_V} =1.399736, \] \[ TV^{\gamma-1}=\text{konstant}. \]
Eliminiert man das Volumen mithilfe der idealen Gasgleichung, erhält man \[ \frac{T_2}{T_1} =\left(\frac{p_2}{p_1}\right)^{(\gamma-1)/\gamma} =\left(\frac{p_0}{p_1}\right)^{R/(c_V+R)}. \] Daher ist \[ T_2 =322.1398 \left(\frac{101300}{102298.9}\right)^{8.314510/29.114510} =321.2384\ \mathrm{K}. \] Somit gilt \[ \boxed{T_2=321.2\ \mathrm{K}=48.1^\circ\mathrm{C}.} \]
Sowohl Druck als auch Temperatur nehmen ab; die Temperatur sinkt um etwa \(0.90\ \mathrm{K}\), weil das expandierende Gas Arbeit auf Kosten seiner inneren Energie verrichtet.
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen.
IPhO 1999 · Teori sorusu 1
Işınımın bir gaz tarafından soğurulması
Ekseni düşey olan silindirik bir kap, termodinamik dengede bulunan moleküler bir gaz içermektedir. Silindirin üst tabanı serbestçe hareket edebilen bir cam levhadan yapılmıştır; gaz sızıntısı olmadığını ve cam levha ile silindirin duvarları arasındaki sürtünmenin salınımları sönümlemeye yetecek kadar olduğunu, ancak söz konusu diğer enerjilere kıyasla kayda değer bir enerji kaybına yol açmadığını varsayalım. Başlangıçta gazın sıcaklığı, çevresindeki ortamın sıcaklığına eşittir. Gaz, iyi bir yaklaşıklıkla ideal kabul edilebilir. Silindirin duvarlarının (tabanlar dâhil) ısıl iletkenliğinin ve ısı kapasitesinin çok düşük olduğunu, dolayısıyla gaz ile ortam arasındaki ısı aktarımının çok yavaş gerçekleştiğini ve bu sorunun çözümünde ihmal edilebileceğini varsayalım.
Sabit güçlü bir lazerin yaydığı ışığı cam levhadan geçirerek silindirin içine gönderiyoruz; bu ışınım hava ve camdan kolayca geçmekte, ancak kabın içindeki gaz tarafından tamamen soğurulmaktadır. Bu ışınımı soğuran moleküller uyarılmış durumlara geçer; bu durumlarda hızla kızılötesi ışınım yayarak basamaklar hâlinde moleküler temel duruma dönerler. Ancak bu kızılötesi ışınım, başka moleküller tarafından yeniden soğurulur ve cam levha da dâhil olmak üzere kabın duvarlarından yansır. Dolayısıyla lazerden soğurulan enerji çok kısa bir sürede ısıl harekete (moleküler kaosa) aktarılır ve ardından yeterince uzun bir süre gazın içinde kalır.
Cam levhanın yukarı doğru hareket ettiğini gözlemliyoruz; belirli bir ışınlama süresinin ardından lazeri kapatıyor ve bu yer değiştirmeyi ölçüyoruz.
- Aşağıdaki verileri ve gerekirse fiziksel sabitler sayfasındaki verileri kullanarak ışınlama sonrasında gazın sıcaklığını ve basıncını hesaplayınız. [2 puan]
- Işınımın soğurulması sonucunda gazın yaptığı mekanik işi hesaplayınız. [1 puan]
- Işınlama sırasında soğurulan ışınım enerjisini hesaplayınız. [2 puan]
- Lazerin yaydığı gücün gaz tarafından soğurulan kısmını ve buna karşılık gelen birim zamandaki foton sayısını (dolayısıyla temel soğurma süreçlerinin sayısını) hesaplayınız. [1.5 puan]
- Optik enerjinin cam levhanın mekanik potansiyel enerjisindeki değişime dönüştürülmesi sürecinin verimini hesaplayınız. [1 puan]
Ardından silindirin ekseni yavaşça 90° döndürülerek yatay doğrultuya getirilir. Gaz ile kap arasındaki ısı alışverişi yine ihmal edilebilir.
- Böyle bir döndürme sonucunda gazın basıncının ve/veya sıcaklığının değişip değişmediğini ve değişiyorsa yeni değerinin/değerlerinin ne olduğunu belirtiniz. [2.5 puan]
Veriler
Ortam basıncı: \(p_0 = 101.3\ \mathrm{kPa}\)
Ortam sıcaklığı: \(T_0 = 20.0^\circ\mathrm{C}\)
Silindirin iç çapı: \(2r = 100\ \mathrm{mm}\)
Cam levhanın kütlesi: \(m = 800\ \mathrm{g}\)
Kap içindeki gazın madde miktarı: \(n = 0.100\ \mathrm{mol}\)
Gazın sabit hacimdeki molar ısı kapasitesi: \(c_V = 20.8\ \mathrm{J/(mol\cdot K)}\)
Lazerin yaydığı ışığın dalga boyu: \(\lambda = 514\ \mathrm{nm}\)
Işınlama süresi: \(\Delta t = 10.0\ \mathrm{s}\)
Hareketli levhanın ışınlama sonrasındaki yer değiştirmesi: \(\Delta s = 30.0\ \mathrm{mm}\)
Fiziksel sabitler ve genel veriler
Her bir sorunun metninde verilen sayısal verilere ek olarak, bazı genel verilerin ve fiziksel sabitlerin bilinmesi yararlı olabilir; bunları aşağıda bulabilirsiniz. Bunlar günümüzde mevcut olan en hassas verilere yakın olduklarından çok sayıda basamakla verilmiştir; ancak sonuçlarınızı her soruya uygun sayıda basamakla yazmanız beklenmektedir.
Işığın boşluktaki hızı: \(c = 299792458\ \mathrm{m\cdot s^{-1}}\)
Boşluğun manyetik geçirgenliği: \(\mu_0 = 4\pi\cdot10^{-7}\ \mathrm{H\cdot m^{-1}}\)
Boşluğun dielektrik sabiti: \(\varepsilon_0 = 8.8541878\ \mathrm{pF\cdot m^{-1}}\)
Kütleçekim sabiti: \(G = 6.67259\cdot10^{-11}\ \mathrm{m^3/(kg\cdot s^2)}\)
Gaz sabiti: \(R = 8.314510\ \mathrm{J/(mol\cdot K)}\)
Boltzmann sabiti: \(k = 1.380658\cdot10^{-23}\ \mathrm{J\cdot K^{-1}}\)
Stefan sabiti: \(\sigma = 56.703\ \mathrm{nW/(m^2\cdot K^4)}\)
Protonun yükü: \(e = 1.60217733\cdot10^{-19}\ \mathrm{C}\)
Elektronun kütlesi: \(m_e = 9.1093897\cdot10^{-31}\ \mathrm{kg}\)
Planck sabiti: \(h = 6.6260755\cdot10^{-34}\ \mathrm{J\cdot s}\)
Santigrat ölçeğinin sıfır noktasının mutlak sıcaklığı: \(T_K = 273.15\ \mathrm{K}\)
Güneş'in kütlesi: \(M_S = 1.991\cdot10^{30}\ \mathrm{kg}\)
Dünya'nın kütlesi: \(M_E = 5.979\cdot10^{24}\ \mathrm{kg}\)
Dünya'nın ortalama yarıçapı: \(r_E = 6.373\ \mathrm{Mm}\)
Dünya'nın yörüngesinin büyük yarı ekseni: \(R_E = 1.4957\cdot10^{11}\ \mathrm{m}\)
Yıldız günü: \(d_S = 86.16406\ \mathrm{ks}\)
Yıl: \(y = 31.558150\ \mathrm{Ms}\)
Dünya yüzeyindeki yerçekimi alanının standart değeri: \(g = 9.80665\ \mathrm{m\cdot s^{-2}}\)
Deniz seviyesindeki atmosfer basıncının standart değeri: \(p_0 = 101325\ \mathrm{Pa}\)
Standart basınçta ve \(15^\circ\mathrm{C}\) sıcaklıkta havanın görünür ışık için kırılma indisi: \(n_{\mathrm{air}} = 1.000277\)
Güneş sabiti: \(S = 1355\ \mathrm{W\cdot m^{-2}}\)
Jüpiter'in kütlesi: \(M = 1.901\cdot10^{27}\ \mathrm{kg}\)
Jüpiter'in ekvator yarıçapı: \(R_B = 69.8\ \mathrm{Mm}\)
Jüpiter'in yörüngesinin ortalama yarıçapı: \(R = 7.783\cdot10^{11}\ \mathrm{m}\)
Jüpiter günü: \(d_J = 35.6\ \mathrm{ks}\)
Jüpiter yılı: \(y_J = 374.32\ \mathrm{Ms}\)
\(\pi\): \(3.14159265\)
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
-
Işınlama sonrasında: \[ \boxed{T_1=322.1\ \mathrm{K}=49.0^\circ\mathrm{C},\qquad p_1=102.3\ \mathrm{kPa}.} \]
-
Gazın yaptığı mekanik iş: \[ \boxed{W=24.1\ \mathrm{J}.} \]
-
Soğurulan ışınım enerjisi: \[ \boxed{E_{\mathrm{abs}}=84.4\ \mathrm{J}.} \]
-
Soğurulan lazer gücü ve foton soğurma hızı: \[ \boxed{P_{\mathrm{abs}}=8.44\ \mathrm{W},\qquad \dot N=2.18\times10^{19}\ \mathrm{s^{-1}}.} \]
-
Levhanın kütleçekim potansiyel enerjisini artırma verimi: \[ \boxed{\eta=2.79\times10^{-3}=0.279\%.} \]
-
Hem basınç hem de sıcaklık azalır. Döndürme sonrasında: \[ \boxed{p_2=101.3\ \mathrm{kPa},\qquad T_2=321.2\ \mathrm{K}=48.1^\circ\mathrm{C}.} \]
Çözüm
İdeal gaz yaklaşımını ve verilen sabit molar ısı kapasitesini kullanıyor, ısı sızıntısını ve sürtünmeden kaynaklanan enerji kaybını ihmal ediyoruz. Başlangıç ve son durumlarda makroskopik kinetik enerji yoktur. Aşağıda kullanılan ortam basıncı, soruya özgü \(p_0=101.3\ \mathrm{kPa}\) değeridir.
Silindirin kesit alanı ve ölçülen hacim artışı şöyledir: \[ A=\pi r^2=\pi(0.0500)^2 =7.85398\times10^{-3}\ \mathrm{m^2}, \] \[ \Delta V=A\Delta s =(7.85398\times10^{-3})(0.0300) =2.35619\times10^{-4}\ \mathrm{m^3}. \]
1. Işınlama sonrasında sıcaklık ve basınç
Düşey doğrultudaki mekanik dengede, gazın yukarı yönlü kuvveti atmosfer basıncının kuvvetini ve levhanın ağırlığını dengeler: \[ p_1A=p_0A+mg. \] Böylece \[ p_1=p_0+\frac{mg}{A} =101300+\frac{(0.800)(9.80665)}{7.85398\times10^{-3}} =102298.9\ \mathrm{Pa}. \] Aynı denge ışınlama öncesinde de geçerli olduğundan gazın başlangıç ve son basınçları eşittir: \[ \boxed{p_1=102.3\ \mathrm{kPa}.} \]
Gazın ışınlama öncesindeki ve sonrasındaki hacimleri sırasıyla \(V_0\) ve \(V_1\) olsun. İdeal gaz yasasını her iki duruma uyguladığımızda \[ p_1V_0=nRT_0,\qquad p_1V_1=nRT_1. \] İki denklemi birbirinden çıkarınca \[ p_1\Delta V=nR(T_1-T_0). \] \(T_0=293.15\ \mathrm{K}\) değeriyle \[ T_1-T_0 =\frac{(102298.9)(2.35619\times10^{-4})} {(0.100)(8.314510)} =28.9898\ \mathrm{K}. \] Dolayısıyla \[ \boxed{T_1=322.1\ \mathrm{K}=49.0^\circ\mathrm{C}.} \]
2. Gazın yaptığı mekanik iş
Harekete karşı koyan \(p_0A+mg\) kuvveti sabittir. Sürtünmeden kaynaklanan kayıp ihmal edildiğinde ve levhanın başlangıç ve son kinetik enerjileri sıfır olduğunda gazın yaptığı iş \[ W=(p_0A+mg)\Delta s =p_0\Delta V+mg\Delta s =p_1\Delta V. \] Sayısal olarak, \[ W=(102298.9)(2.35619\times10^{-4}) =24.1036\ \mathrm{J}, \] böylece \[ \boxed{W=24.1\ \mathrm{J}.} \]
Bu iş, atmosfer basıncına karşı yapılan \(23.8683\ \mathrm{J}\) iş ile levhayı kaldırmak için yapılan \(0.235360\ \mathrm{J}\) işten oluşur.
3. Soğurulan ışınım enerjisi
Soğurulan ışınım hızla ısıl enerjiye dönüşür. Gazın yaptığı iş pozitif kabul edildiğinde, enerjinin korunumu şu bağıntıyı verir: \[ E_{\mathrm{abs}}=\Delta U+W. \] İdeal gaz için, \[ \Delta U=nc_V(T_1-T_0) =(0.100)(20.8)(28.9898) =60.2988\ \mathrm{J}. \] Sonuç olarak, \[ E_{\mathrm{abs}}=60.2988+24.1036 =84.4024\ \mathrm{J}, \] ya da \[ \boxed{E_{\mathrm{abs}}=84.4\ \mathrm{J}.} \]
Eşdeğer olarak, \(W=nR(T_1-T_0)\) olduğundan, \[ E_{\mathrm{abs}}=n(c_V+R)(T_1-T_0)=nc_P(T_1-T_0), \] burada \[ c_P=c_V+R=29.114510\ \mathrm{J\,mol^{-1}K^{-1}}. \]
4. Soğurulan güç ve foton soğurma hızı
Lazerin gücü sabittir, dolayısıyla \[ P_{\mathrm{abs}}=\frac{E_{\mathrm{abs}}}{\Delta t} =\frac{84.4024}{10.0} =\boxed{8.44\ \mathrm{W}}. \]
Gelen her bir lazer fotonunun enerjisi şöyledir: \[ \varepsilon_\gamma=\frac{hc}{\lambda} =\frac{(6.6260755\times10^{-34})(299792458)} {514\times10^{-9}} =3.86468\times10^{-19}\ \mathrm{J}. \] Gaza giren tüm lazer fotonları soğurulduğundan, soğurulma hızları \[ \dot N=\frac{P_{\mathrm{abs}}}{\varepsilon_\gamma} =\frac{8.44024}{3.86468\times10^{-19}} =\boxed{2.18\times10^{19}\ \mathrm{s^{-1}}}. \] Bu aynı zamanda lazer fotonlarının temel soğurma olaylarının gerçekleşme hızıdır.
5. Levhanın potansiyel enerjisine dönüşümün verimi
Levhanın kütleçekim potansiyel enerjisindeki artış şöyledir: \[ \Delta E_{\mathrm{pot}}=mg\Delta s =(0.800)(9.80665)(0.0300) =0.235360\ \mathrm{J}. \] Dolayısıyla istenen verim \[ \eta=\frac{\Delta E_{\mathrm{pot}}}{E_{\mathrm{abs}}} =\frac{0.235360}{84.4024} =2.78854\times10^{-3}. \] Böylece \[ \boxed{\eta=2.79\times10^{-3}=0.279\%.} \] Verimin küçük olması, gazı ısıtmak ve çevredeki atmosferi yer değiştirmek için enerji kullanılmasından kaynaklanır.
6. Döndürme sonrasında basınç ve sıcaklık
Silindirin ekseni ile yukarı yönlü düşey doğrultu arasındaki açı \(\theta\) olsun. Yavaş döndürme sırasında eksen doğrultusundaki mekanik denge \[ p(\theta)A=p_0A+mg\cos\theta, \] bağıntısını verir, dolayısıyla \[ p(\theta)=p_0+\frac{mg}{A}\cos\theta. \] \(\theta=90^\circ\) olduğunda levhanın ağırlığının eksen doğrultusunda bir bileşeni yoktur. Bu nedenle \[ \boxed{p_2=p_0=101.3\ \mathrm{kPa}.} \]
Döndürme yavaştır; ısı alışverişi ve sürtünmeden kaynaklanan enerji kaybı ihmal edilebilir. Dolayısıyla gaz, sanki statik bir adyabatik genleşme geçirir. Termodinamiğin birinci yasası şu bağıntıyı verir: \[ nc_V\,dT=-p\,dV. \] \(p=nRT/V\) kullanıldığında, \[ c_V\frac{dT}{T}=-R\frac{dV}{V}. \] İntegral alındığında \[ TV^{R/c_V}=\text{sabit}, \] ya da \[ \gamma=\frac{c_P}{c_V} =\frac{c_V+R}{c_V} =1.399736, \] tanımıyla \[ TV^{\gamma-1}=\text{sabit}. \]
İdeal gaz yasasıyla hacim elendiğinde \[ \frac{T_2}{T_1} =\left(\frac{p_2}{p_1}\right)^{(\gamma-1)/\gamma} =\left(\frac{p_0}{p_1}\right)^{R/(c_V+R)}. \] Dolayısıyla \[ T_2 =322.1398 \left(\frac{101300}{102298.9}\right)^{8.314510/29.114510} =321.2384\ \mathrm{K}. \] Böylece \[ \boxed{T_2=321.2\ \mathrm{K}=48.1^\circ\mathrm{C}.} \]
Hem basınç hem de sıcaklık azalır; genleşen gaz yaptığı işi iç enerjisinden karşıladığı için sıcaklık yaklaşık \(0.90\ \mathrm{K}\) düşer.
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IPhO 1999 · Problema teórico 1
Absorción de radiación por un gas
Un recipiente cilíndrico, con su eje vertical, contiene un gas molecular en equilibrio termodinámico. La base superior del cilindro puede desplazarse libremente y está constituida por una placa de vidrio; supongamos que no hay fugas de gas y que el rozamiento entre la placa de vidrio y las paredes del cilindro es justo el suficiente para amortiguar las oscilaciones, pero no implica ninguna pérdida de energía significativa en comparación con las demás energías involucradas. Inicialmente, la temperatura del gas es igual a la del ambiente circundante. El gas puede considerarse ideal con buena aproximación. Supongamos que las paredes del cilindro (incluidas las bases) tienen una conductividad térmica y una capacidad calorífica muy bajas y, por tanto, la transferencia de calor entre el gas y el ambiente es muy lenta y puede despreciarse en la resolución de este problema.
A través de la placa de vidrio enviamos al interior del cilindro la luz emitida por un láser de potencia constante; esta radiación se transmite fácilmente a través del aire y del vidrio, pero es absorbida por completo por el gas del interior del recipiente. Al absorber esta radiación, las moléculas alcanzan estados excitados, en los que emiten rápidamente radiación infrarroja y regresan por etapas al estado fundamental molecular; sin embargo, esta radiación infrarroja es absorbida a su vez por otras moléculas y reflejada por las paredes del recipiente, incluida la placa de vidrio. Por tanto, la energía absorbida del láser se transforma en un tiempo muy breve en movimiento térmico (caos molecular) y permanece después en el gas durante un tiempo suficientemente largo.
Observamos que la placa de vidrio se mueve hacia arriba; tras un cierto tiempo de irradiación, apagamos el láser y medimos este desplazamiento.
- Utilizando los datos que figuran a continuación y, si es necesario, los de la hoja de constantes físicas, calcule la temperatura y la presión del gas después de la irradiación. [2 puntos]
- Calcule el trabajo mecánico realizado por el gas como consecuencia de la absorción de radiación. [1 punto]
- Calcule la energía radiante absorbida durante la irradiación. [2 puntos]
- Calcule la potencia emitida por el láser que es absorbida por el gas y el número correspondiente de fotones (y, por tanto, de procesos elementales de absorción) por unidad de tiempo. [1.5 puntos]
- Calcule el rendimiento del proceso de conversión de energía óptica en una variación de la energía potencial mecánica de la placa de vidrio. [1 punto]
A continuación, se gira lentamente el eje del cilindro 90°, hasta situarlo en dirección horizontal. Los intercambios de calor entre el gas y el recipiente siguen siendo despreciables.
- Indique si la presión y/o la temperatura del gas cambian como consecuencia de dicha rotación y, en caso afirmativo, cuál es su nuevo valor o cuáles son sus nuevos valores. [2.5 puntos]
Datos
Presión ambiente: \(p_0 = 101.3\ \mathrm{kPa}\)
Temperatura ambiente: \(T_0 = 20.0^\circ\mathrm{C}\)
Diámetro interior del cilindro: \(2r = 100\ \mathrm{mm}\)
Masa de la placa de vidrio: \(m = 800\ \mathrm{g}\)
Cantidad de gas en el recipiente: \(n = 0.100\ \mathrm{mol}\)
Capacidad calorífica molar a volumen constante del gas: \(c_V = 20.8\ \mathrm{J/(mol\cdot K)}\)
Longitud de onda de emisión del láser: \(\lambda = 514\ \mathrm{nm}\)
Tiempo de irradiación: \(\Delta t = 10.0\ \mathrm{s}\)
Desplazamiento de la placa móvil tras la irradiación: \(\Delta s = 30.0\ \mathrm{mm}\)
Constantes físicas y datos generales
Además de los datos numéricos proporcionados en el texto de cada problema, puede resultar útil conocer algunos datos generales y constantes físicas, que se encuentran entre los siguientes. Estos datos se cuentan entre los más precisos disponibles actualmente y, por ello, tienen un gran número de cifras; no obstante, se espera que exprese sus resultados con un número de cifras adecuado para cada problema.
Velocidad de la luz en el vacío: \(c = 299792458\ \mathrm{m\cdot s^{-1}}\)
Permeabilidad magnética del vacío: \(\mu_0 = 4\pi\cdot10^{-7}\ \mathrm{H\cdot m^{-1}}\)
Constante dieléctrica del vacío: \(\varepsilon_0 = 8.8541878\ \mathrm{pF\cdot m^{-1}}\)
Constante de gravitación: \(G = 6.67259\cdot10^{-11}\ \mathrm{m^3/(kg\cdot s^2)}\)
Constante de los gases: \(R = 8.314510\ \mathrm{J/(mol\cdot K)}\)
Constante de Boltzmann: \(k = 1.380658\cdot10^{-23}\ \mathrm{J\cdot K^{-1}}\)
Constante de Stefan: \(\sigma = 56.703\ \mathrm{nW/(m^2\cdot K^4)}\)
Carga del protón: \(e = 1.60217733\cdot10^{-19}\ \mathrm{C}\)
Masa del electrón: \(m_e = 9.1093897\cdot10^{-31}\ \mathrm{kg}\)
Constante de Planck: \(h = 6.6260755\cdot10^{-34}\ \mathrm{J\cdot s}\)
Origen de la escala centígrada: \(T_K = 273.15\ \mathrm{K}\)
Masa del Sol: \(M_S = 1.991\cdot10^{30}\ \mathrm{kg}\)
Masa de la Tierra: \(M_E = 5.979\cdot10^{24}\ \mathrm{kg}\)
Radio medio de la Tierra: \(r_E = 6.373\ \mathrm{Mm}\)
Semieje mayor de la órbita terrestre: \(R_E = 1.4957\cdot10^{11}\ \mathrm{m}\)
Día sidéreo: \(d_S = 86.16406\ \mathrm{ks}\)
Año: \(y = 31.558150\ \mathrm{Ms}\)
Valor estándar del campo gravitatorio en la superficie terrestre: \(g = 9.80665\ \mathrm{m\cdot s^{-2}}\)
Valor estándar de la presión atmosférica al nivel del mar: \(p_0 = 101325\ \mathrm{Pa}\)
Índice de refracción del aire para la luz visible, a presión estándar y a \(15^\circ\mathrm{C}\): \(n_{\mathrm{air}} = 1.000277\)
Constante solar: \(S = 1355\ \mathrm{W\cdot m^{-2}}\)
Masa de Júpiter: \(M = 1.901\cdot10^{27}\ \mathrm{kg}\)
Radio ecuatorial de Júpiter: \(R_B = 69.8\ \mathrm{Mm}\)
Radio medio de la órbita de Júpiter: \(R = 7.783\cdot10^{11}\ \mathrm{m}\)
Día joviano: \(d_J = 35.6\ \mathrm{ks}\)
Año joviano: \(y_J = 374.32\ \mathrm{Ms}\)
\(\pi\): \(3.14159265\)
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
-
Después de la irradiación: \[ \boxed{T_1=322.1\ \mathrm{K}=49.0^\circ\mathrm{C},\qquad p_1=102.3\ \mathrm{kPa}.} \]
-
Trabajo mecánico realizado por el gas: \[ \boxed{W=24.1\ \mathrm{J}.} \]
-
Energía radiante absorbida: \[ \boxed{E_{\mathrm{abs}}=84.4\ \mathrm{J}.} \]
-
Potencia láser absorbida y tasa de absorción de fotones: \[ \boxed{P_{\mathrm{abs}}=8.44\ \mathrm{W},\qquad \dot N=2.18\times10^{19}\ \mathrm{s^{-1}}.} \]
-
Rendimiento de la conversión en un aumento de la energía potencial gravitatoria de la placa: \[ \boxed{\eta=2.79\times10^{-3}=0.279\%.} \]
-
Tanto la presión como la temperatura disminuyen. Después de la rotación: \[ \boxed{p_2=101.3\ \mathrm{kPa},\qquad T_2=321.2\ \mathrm{K}=48.1^\circ\mathrm{C}.} \]
Solución
Utilizamos la aproximación de gas ideal y la capacidad calorífica molar constante dada, y consideramos despreciables las pérdidas de calor y de energía por rozamiento. Los estados inicial y final no tienen energía cinética macroscópica. La presión ambiente utilizada a continuación es el valor específico de este problema, \(p_0=101.3\ \mathrm{kPa}\).
El área de la sección transversal del cilindro y el aumento de volumen medido son \[ A=\pi r^2=\pi(0.0500)^2 =7.85398\times10^{-3}\ \mathrm{m^2}, \] \[ \Delta V=A\Delta s =(7.85398\times10^{-3})(0.0300) =2.35619\times10^{-4}\ \mathrm{m^3}. \]
1. Temperatura y presión después de la irradiación
En equilibrio mecánico vertical, la fuerza ascendente del gas equilibra la fuerza debida a la presión atmosférica y el peso de la placa: \[ p_1A=p_0A+mg. \] Por tanto, \[ p_1=p_0+\frac{mg}{A} =101300+\frac{(0.800)(9.80665)}{7.85398\times10^{-3}} =102298.9\ \mathrm{Pa}. \] El mismo equilibrio se cumple antes de la irradiación, de modo que las presiones inicial y final del gas son iguales: \[ \boxed{p_1=102.3\ \mathrm{kPa}.} \]
Sean \(V_0\) y \(V_1\) los volúmenes del gas antes y después de la irradiación. Aplicando la ecuación de estado del gas ideal a ambos estados, \[ p_1V_0=nRT_0,\qquad p_1V_1=nRT_1. \] Al restar, se obtiene \[ p_1\Delta V=nR(T_1-T_0). \] Con \(T_0=293.15\ \mathrm{K}\), \[ T_1-T_0 =\frac{(102298.9)(2.35619\times10^{-4})} {(0.100)(8.314510)} =28.9898\ \mathrm{K}. \] Por consiguiente, \[ \boxed{T_1=322.1\ \mathrm{K}=49.0^\circ\mathrm{C}.} \]
2. Trabajo mecánico realizado por el gas
La fuerza que se opone al movimiento, \(p_0A+mg\), es constante. Con pérdidas por rozamiento despreciables y energía cinética inicial y final nula de la placa, el gas realiza el trabajo \[ W=(p_0A+mg)\Delta s =p_0\Delta V+mg\Delta s =p_1\Delta V. \] Numéricamente, \[ W=(102298.9)(2.35619\times10^{-4}) =24.1036\ \mathrm{J}, \] de modo que \[ \boxed{W=24.1\ \mathrm{J}.} \]
Este trabajo consta de \(23.8683\ \mathrm{J}\) de trabajo contra la presión atmosférica y \(0.235360\ \mathrm{J}\) de trabajo para elevar la placa.
3. Energía radiante absorbida
La radiación absorbida se transforma rápidamente en energía térmica. La conservación de la energía, considerando positivo el trabajo realizado por el gas, da \[ E_{\mathrm{abs}}=\Delta U+W. \] Para el gas ideal, \[ \Delta U=nc_V(T_1-T_0) =(0.100)(20.8)(28.9898) =60.2988\ \mathrm{J}. \] En consecuencia, \[ E_{\mathrm{abs}}=60.2988+24.1036 =84.4024\ \mathrm{J}, \] o bien \[ \boxed{E_{\mathrm{abs}}=84.4\ \mathrm{J}.} \]
De forma equivalente, puesto que \(W=nR(T_1-T_0)\), \[ E_{\mathrm{abs}}=n(c_V+R)(T_1-T_0)=nc_P(T_1-T_0), \] donde \[ c_P=c_V+R=29.114510\ \mathrm{J\,mol^{-1}K^{-1}}. \]
4. Potencia absorbida y tasa de absorción de fotones
La potencia del láser es constante, por lo que \[ P_{\mathrm{abs}}=\frac{E_{\mathrm{abs}}}{\Delta t} =\frac{84.4024}{10.0} =\boxed{8.44\ \mathrm{W}}. \]
Cada fotón láser incidente tiene una energía \[ \varepsilon_\gamma=\frac{hc}{\lambda} =\frac{(6.6260755\times10^{-34})(299792458)} {514\times10^{-9}} =3.86468\times10^{-19}\ \mathrm{J}. \] Todos los fotones láser incidentes que entran en el gas son absorbidos, de modo que su tasa de absorción es \[ \dot N=\frac{P_{\mathrm{abs}}}{\varepsilon_\gamma} =\frac{8.44024}{3.86468\times10^{-19}} =\boxed{2.18\times10^{19}\ \mathrm{s^{-1}}}. \] Esta es también la tasa de procesos elementales de absorción de los fotones láser.
5. Rendimiento de la conversión en energía potencial de la placa
La energía potencial gravitatoria de la placa aumenta en \[ \Delta E_{\mathrm{pot}}=mg\Delta s =(0.800)(9.80665)(0.0300) =0.235360\ \mathrm{J}. \] Por tanto, el rendimiento solicitado es \[ \eta=\frac{\Delta E_{\mathrm{pot}}}{E_{\mathrm{abs}}} =\frac{0.235360}{84.4024} =2.78854\times10^{-3}. \] Así, \[ \boxed{\eta=2.79\times10^{-3}=0.279\%.} \] Su pequeño valor refleja la energía empleada en calentar el gas y en desplazar la atmósfera circundante.
6. Presión y temperatura después de la rotación
Sea \(\theta\) el ángulo entre el eje del cilindro y la vertical ascendente. Durante la rotación lenta, el equilibrio mecánico axial da \[ p(\theta)A=p_0A+mg\cos\theta, \] de modo que \[ p(\theta)=p_0+\frac{mg}{A}\cos\theta. \] Para \(\theta=90^\circ\), el peso de la placa no tiene componente axial. Por tanto, \[ \boxed{p_2=p_0=101.3\ \mathrm{kPa}.} \]
La rotación es lenta, y el intercambio de calor y la disipación por rozamiento son despreciables. Por tanto, el gas experimenta una expansión adiabática cuasiestática. El primer principio de la termodinámica da \[ nc_V\,dT=-p\,dV. \] Utilizando \(p=nRT/V\), \[ c_V\frac{dT}{T}=-R\frac{dV}{V}. \] La integración conduce a \[ TV^{R/c_V}=\text{constante}, \] o bien, definiendo \[ \gamma=\frac{c_P}{c_V} =\frac{c_V+R}{c_V} =1.399736, \] \[ TV^{\gamma-1}=\text{constante}. \]
Eliminando el volumen mediante la ecuación de estado del gas ideal, se obtiene \[ \frac{T_2}{T_1} =\left(\frac{p_2}{p_1}\right)^{(\gamma-1)/\gamma} =\left(\frac{p_0}{p_1}\right)^{R/(c_V+R)}. \] Por consiguiente, \[ T_2 =322.1398 \left(\frac{101300}{102298.9}\right)^{8.314510/29.114510} =321.2384\ \mathrm{K}. \] Así, \[ \boxed{T_2=321.2\ \mathrm{K}=48.1^\circ\mathrm{C}.} \]
Tanto la presión como la temperatura disminuyen; la temperatura desciende aproximadamente \(0.90\ \mathrm{K}\) porque el gas en expansión realiza trabajo a expensas de su energía interna.
La solución se comprobó con la solución oficial.
IPhO 1999 · 理论题 1
气体对辐射的吸收
一个轴线竖直的圆柱形容器内装有处于热力学平衡状态的分子气体。圆柱体的上底面由一块可以自由移动的玻璃板构成;假设气体不会泄漏,玻璃板与圆柱体侧壁之间的摩擦仅足以使振动衰减,而与所涉及的其他能量相比,摩擦造成的能量损失可以忽略。初始时,气体的温度与周围环境的温度相同。可以很好地将该气体近似为理想气体。假设圆柱体的器壁(包括两个底面)的热导率和热容都很小,因此气体与环境之间的热传递非常缓慢,在本题的求解中可以忽略。
将一台功率恒定的激光器发出的光通过玻璃板射入圆柱体;这种辐射很容易透过空气和玻璃,但会被容器内的气体完全吸收。分子吸收这种辐射后跃迁到激发态,随后迅速发出红外辐射,逐级返回分子基态;然而,这些红外辐射又会被其他分子吸收,并被包括玻璃板在内的容器壁反射。因此,从激光吸收的能量在极短时间内转化为热运动(分子的无规则运动)的能量,此后在足够长的时间内留在气体中。
可以观察到玻璃板向上移动;照射一定时间后,关闭激光器并测量这一位移。
- 利用下面的数据,以及在必要时利用物理常数表中的数据,计算照射后气体的温度和压强。[2 分]
- 计算气体因吸收辐射而对外做的机械功。[1 分]
- 计算照射过程中吸收的辐射能。[2 分]
- 计算激光器发出的、被气体吸收的功率,以及相应的单位时间内的光子数(也就是基本吸收过程的次数)。[1.5 分]
- 计算光能转化为玻璃板机械势能增量的效率。[1 分]
随后,将圆柱体的轴线缓慢转动 90°,使其变为水平方向。气体与容器之间的热交换仍可忽略。
- 说明这种转动是否会使气体的压强和/或温度发生变化;如果会,求出变化后的数值。[2.5 分]
数据
室内压强:\(p_0 = 101.3\ \mathrm{kPa}\)
室内温度:\(T_0 = 20.0^\circ\mathrm{C}\)
圆柱体内径:\(2r = 100\ \mathrm{mm}\)
玻璃板质量:\(m = 800\ \mathrm{g}\)
容器内气体的物质的量:\(n = 0.100\ \mathrm{mol}\)
气体的定容摩尔热容:\(c_V = 20.8\ \mathrm{J/(mol\cdot K)}\)
激光器的发射波长:\(\lambda = 514\ \mathrm{nm}\)
照射时间:\(\Delta t = 10.0\ \mathrm{s}\)
照射后可动玻璃板的位移:\(\Delta s = 30.0\ \mathrm{mm}\)
物理常数和通用数据
除了各题题干给出的数值数据外,了解一些通用数据和物理常数也可能有所帮助,下表列出了这些数据。这些数值几乎是目前可获得的最精确数据,因此位数较多;不过,作答时应根据各题的情况,采用适当的有效数字位数。
真空中的光速:\(c = 299792458\ \mathrm{m\cdot s^{-1}}\)
真空磁导率:\(\mu_0 = 4\pi\cdot10^{-7}\ \mathrm{H\cdot m^{-1}}\)
真空介电常数:\(\varepsilon_0 = 8.8541878\ \mathrm{pF\cdot m^{-1}}\)
万有引力常数:\(G = 6.67259\cdot10^{-11}\ \mathrm{m^3/(kg\cdot s^2)}\)
气体常数:\(R = 8.314510\ \mathrm{J/(mol\cdot K)}\)
玻尔兹曼常数:\(k = 1.380658\cdot10^{-23}\ \mathrm{J\cdot K^{-1}}\)
斯特藩常数:\(\sigma = 56.703\ \mathrm{nW/(m^2\cdot K^4)}\)
质子电荷:\(e = 1.60217733\cdot10^{-19}\ \mathrm{C}\)
电子质量:\(m_e = 9.1093897\cdot10^{-31}\ \mathrm{kg}\)
普朗克常数:\(h = 6.6260755\cdot10^{-34}\ \mathrm{J\cdot s}\)
摄氏温标零点对应的热力学温度:\(T_K = 273.15\ \mathrm{K}\)
太阳质量:\(M_S = 1.991\cdot10^{30}\ \mathrm{kg}\)
地球质量:\(M_E = 5.979\cdot10^{24}\ \mathrm{kg}\)
地球平均半径:\(r_E = 6.373\ \mathrm{Mm}\)
地球轨道半长轴:\(R_E = 1.4957\cdot10^{11}\ \mathrm{m}\)
恒星日:\(d_S = 86.16406\ \mathrm{ks}\)
年:\(y = 31.558150\ \mathrm{Ms}\)
地球表面重力场强度的标准值:\(g = 9.80665\ \mathrm{m\cdot s^{-2}}\)
海平面大气压强的标准值:\(p_0 = 101325\ \mathrm{Pa}\)
标准压强、\(15^\circ\mathrm{C}\) 时空气对可见光的折射率:\(n_{\mathrm{air}} = 1.000277\)
太阳常数:\(S = 1355\ \mathrm{W\cdot m^{-2}}\)
木星质量:\(M = 1.901\cdot10^{27}\ \mathrm{kg}\)
木星赤道半径:\(R_B = 69.8\ \mathrm{Mm}\)
木星轨道平均半径:\(R = 7.783\cdot10^{11}\ \mathrm{m}\)
木星日:\(d_J = 35.6\ \mathrm{ks}\)
木星年:\(y_J = 374.32\ \mathrm{Ms}\)
\(\pi\):\(3.14159265\)
题目译自官方英文原文。
答案
-
照射后: \[ \boxed{T_1=322.1\ \mathrm{K}=49.0^\circ\mathrm{C},\qquad p_1=102.3\ \mathrm{kPa}.} \]
-
气体所做的机械功: \[ \boxed{W=24.1\ \mathrm{J}.} \]
-
吸收的辐射能: \[ \boxed{E_{\mathrm{abs}}=84.4\ \mathrm{J}.} \]
-
吸收的激光功率和光子吸收速率: \[ \boxed{P_{\mathrm{abs}}=8.44\ \mathrm{W},\qquad \dot N=2.18\times10^{19}\ \mathrm{s^{-1}}.} \]
-
转化为玻璃板重力势能增量的效率: \[ \boxed{\eta=2.79\times10^{-3}=0.279\%.} \]
-
压强和温度均降低。转动后: \[ \boxed{p_2=101.3\ \mathrm{kPa},\qquad T_2=321.2\ \mathrm{K}=48.1^\circ\mathrm{C}.} \]
解答
采用理想气体近似和题给的恒定摩尔热容,并忽略热量散失及摩擦造成的能量损失。初态和末态均无宏观动能。下文使用的室内压强为本题给定的数值 \(p_0=101.3\ \mathrm{kPa}\)。
圆柱体的横截面积和由测量得到的体积增量为 \[ A=\pi r^2=\pi(0.0500)^2 =7.85398\times10^{-3}\ \mathrm{m^2}, \] \[ \Delta V=A\Delta s =(7.85398\times10^{-3})(0.0300) =2.35619\times10^{-4}\ \mathrm{m^3}. \]
1. 照射后的温度和压强
在竖直方向的力学平衡状态下,气体向上的作用力与大气压力及玻璃板的重力平衡: \[ p_1A=p_0A+mg. \] 因此 \[ p_1=p_0+\frac{mg}{A} =101300+\frac{(0.800)(9.80665)}{7.85398\times10^{-3}} =102298.9\ \mathrm{Pa}. \] 照射前也满足相同的平衡条件,因此气体的初态和末态压强相等: \[ \boxed{p_1=102.3\ \mathrm{kPa}.} \]
设 \(V_0\) 和 \(V_1\) 分别为照射前后气体的体积。对这两个状态分别应用理想气体状态方程,得到 \[ p_1V_0=nRT_0,\qquad p_1V_1=nRT_1. \] 相减得 \[ p_1\Delta V=nR(T_1-T_0). \] 代入 \(T_0=293.15\ \mathrm{K}\),得 \[ T_1-T_0 =\frac{(102298.9)(2.35619\times10^{-4})} {(0.100)(8.314510)} =28.9898\ \mathrm{K}. \] 因此 \[ \boxed{T_1=322.1\ \mathrm{K}=49.0^\circ\mathrm{C}.} \]
2. 气体所做的机械功
阻碍玻璃板运动的力 \(p_0A+mg\) 恒定。摩擦损失可忽略,且玻璃板初态和末态的动能均为零,因此气体所做的功为 \[ W=(p_0A+mg)\Delta s =p_0\Delta V+mg\Delta s =p_1\Delta V. \] 代入数值得 \[ W=(102298.9)(2.35619\times10^{-4}) =24.1036\ \mathrm{J}, \] 所以 \[ \boxed{W=24.1\ \mathrm{J}.} \]
其中,克服大气压力所做的功为 \(23.8683\ \mathrm{J}\),抬升玻璃板所做的功为 \(0.235360\ \mathrm{J}\)。
3. 吸收的辐射能
吸收的辐射能迅速转化为热运动的能量。取气体对外做功为正,由能量守恒得 \[ E_{\mathrm{abs}}=\Delta U+W. \] 对于理想气体, \[ \Delta U=nc_V(T_1-T_0) =(0.100)(20.8)(28.9898) =60.2988\ \mathrm{J}. \] 因此, \[ E_{\mathrm{abs}}=60.2988+24.1036 =84.4024\ \mathrm{J}, \] 即 \[ \boxed{E_{\mathrm{abs}}=84.4\ \mathrm{J}.} \]
等价地,由于 \(W=nR(T_1-T_0)\),有 \[ E_{\mathrm{abs}}=n(c_V+R)(T_1-T_0)=nc_P(T_1-T_0), \] 其中 \[ c_P=c_V+R=29.114510\ \mathrm{J\,mol^{-1}K^{-1}}. \]
4. 吸收的功率和光子吸收速率
激光功率恒定,因此 \[ P_{\mathrm{abs}}=\frac{E_{\mathrm{abs}}}{\Delta t} =\frac{84.4024}{10.0} =\boxed{8.44\ \mathrm{W}}. \]
每个入射激光光子的能量为 \[ \varepsilon_\gamma=\frac{hc}{\lambda} =\frac{(6.6260755\times10^{-34})(299792458)} {514\times10^{-9}} =3.86468\times10^{-19}\ \mathrm{J}. \] 所有进入气体的入射激光光子都被吸收,因此其吸收速率为 \[ \dot N=\frac{P_{\mathrm{abs}}}{\varepsilon_\gamma} =\frac{8.44024}{3.86468\times10^{-19}} =\boxed{2.18\times10^{19}\ \mathrm{s^{-1}}}. \] 这也是激光光子的基本吸收事件发生的速率。
5. 转化为玻璃板势能的效率
玻璃板的重力势能增量为 \[ \Delta E_{\mathrm{pot}}=mg\Delta s =(0.800)(9.80665)(0.0300) =0.235360\ \mathrm{J}. \] 因此,所求效率为 \[ \eta=\frac{\Delta E_{\mathrm{pot}}}{E_{\mathrm{abs}}} =\frac{0.235360}{84.4024} =2.78854\times10^{-3}. \] 所以 \[ \boxed{\eta=2.79\times10^{-3}=0.279\%.} \] 这一效率很低,反映出能量还用于加热气体和推开周围大气。
6. 转动后的压强和温度
设 \(\theta\) 为圆柱体轴线与竖直向上方向之间的夹角。在缓慢转动过程中,由轴向力学平衡得 \[ p(\theta)A=p_0A+mg\cos\theta, \] 所以 \[ p(\theta)=p_0+\frac{mg}{A}\cos\theta. \] 当 \(\theta=90^\circ\) 时,玻璃板的重力没有轴向分量。因此 \[ \boxed{p_2=p_0=101.3\ \mathrm{kPa}.} \]
转动过程缓慢,且热交换和摩擦耗散均可忽略。因此,气体经历准静态绝热膨胀。由热力学第一定律得 \[ nc_V\,dT=-p\,dV. \] 利用 \(p=nRT/V\),得 \[ c_V\frac{dT}{T}=-R\frac{dV}{V}. \] 积分得 \[ TV^{R/c_V}=\text{常数}, \] 或者,定义 \[ \gamma=\frac{c_P}{c_V} =\frac{c_V+R}{c_V} =1.399736, \] \[ TV^{\gamma-1}=\text{常数}. \]
利用理想气体状态方程消去体积,得 \[ \frac{T_2}{T_1} =\left(\frac{p_2}{p_1}\right)^{(\gamma-1)/\gamma} =\left(\frac{p_0}{p_1}\right)^{R/(c_V+R)}. \] 因此 \[ T_2 =322.1398 \left(\frac{101300}{102298.9}\right)^{8.314510/29.114510} =321.2384\ \mathrm{K}. \] 所以 \[ \boxed{T_2=321.2\ \mathrm{K}=48.1^\circ\mathrm{C}.} \]
压强和温度均降低;温度下降约 \(0.90\ \mathrm{K}\),因为膨胀的气体消耗内能对外做功。
解答已与官方解答核对。
IPhO 1999 · Теоретическая задача 1
Поглощение излучения газом
В цилиндрическом сосуде с вертикальной осью находится молекулярный газ в состоянии термодинамического равновесия. Верхнее основание цилиндра представляет собой стеклянную пластину, которая может свободно перемещаться; предположим, что утечки газа нет, а трение между стеклянной пластиной и стенками цилиндра лишь обеспечивает затухание колебаний, но не приводит к потерям энергии, существенным по сравнению с другими энергиями, рассматриваемыми в задаче. Первоначально температура газа равна температуре окружающей среды. Газ с хорошим приближением можно считать идеальным. Предположим, что стенки цилиндра (включая основания) обладают очень малой теплопроводностью и теплоёмкостью, поэтому теплообмен между газом и окружающей средой происходит очень медленно и им можно пренебречь при решении этой задачи.
Через стеклянную пластину в цилиндр направляют свет лазера постоянной мощности; это излучение свободно проходит через воздух и стекло, но полностью поглощается газом внутри сосуда. Поглощая это излучение, молекулы переходят в возбуждённые состояния, из которых быстро возвращаются поэтапно в основное состояние, испуская инфракрасное излучение; однако это инфракрасное излучение затем поглощается другими молекулами и отражается от стенок сосуда, включая стеклянную пластину. Таким образом, энергия, поглощённая от лазера, за очень короткое время переходит в энергию теплового движения (хаотического движения молекул) и затем остаётся в газе в течение достаточно длительного времени.
Наблюдается перемещение стеклянной пластины вверх; через некоторое время после начала облучения лазер выключают и измеряют это перемещение.
- Используя приведённые ниже данные и, при необходимости, данные из листа физических постоянных, вычислите температуру и давление газа после облучения. [2 балла]
- Вычислите механическую работу, совершённую газом вследствие поглощения излучения. [1 балл]
- Вычислите энергию излучения, поглощённую за время облучения. [2 балла]
- Вычислите мощность излучения лазера, поглощаемого газом, и соответствующее число фотонов (а следовательно, и элементарных актов поглощения) в единицу времени. [1.5 балла]
- Вычислите КПД процесса преобразования оптической энергии в изменение механической потенциальной энергии стеклянной пластины. [1 балл]
Затем ось цилиндра медленно поворачивают на 90°, приводя её в горизонтальное положение. Теплообменом между газом и сосудом по-прежнему можно пренебречь.
- Укажите, изменяются ли давление и/или температура газа вследствие такого поворота, и, если изменяются, найдите их новые значения. [2.5 балла]
Данные
Давление в помещении: \(p_0 = 101.3\ \mathrm{kPa}\)
Температура в помещении: \(T_0 = 20.0^\circ\mathrm{C}\)
Внутренний диаметр цилиндра: \(2r = 100\ \mathrm{mm}\)
Масса стеклянной пластины: \(m = 800\ \mathrm{g}\)
Количество вещества газа в сосуде: \(n = 0.100\ \mathrm{mol}\)
Молярная теплоёмкость газа при постоянном объёме: \(c_V = 20.8\ \mathrm{J/(mol\cdot K)}\)
Длина волны излучения лазера: \(\lambda = 514\ \mathrm{nm}\)
Время облучения: \(\Delta t = 10.0\ \mathrm{s}\)
Перемещение подвижной пластины после облучения: \(\Delta s = 30.0\ \mathrm{mm}\)
Физические постоянные и общие данные
Помимо численных данных, приведённых в условиях отдельных задач, могут оказаться полезными некоторые общие данные и физические постоянные, которые вы можете найти ниже. Эти данные близки к наиболее точным из имеющихся в настоящее время и поэтому содержат большое число цифр; однако от вас ожидается, что вы будете записывать результаты с числом цифр, соответствующим каждой задаче.
Скорость света в вакууме: \(c = 299792458\ \mathrm{m\cdot s^{-1}}\)
Магнитная постоянная: \(\mu_0 = 4\pi\cdot10^{-7}\ \mathrm{H\cdot m^{-1}}\)
Электрическая постоянная: \(\varepsilon_0 = 8.8541878\ \mathrm{pF\cdot m^{-1}}\)
Гравитационная постоянная: \(G = 6.67259\cdot10^{-11}\ \mathrm{m^3/(kg\cdot s^2)}\)
Универсальная газовая постоянная: \(R = 8.314510\ \mathrm{J/(mol\cdot K)}\)
Постоянная Больцмана: \(k = 1.380658\cdot10^{-23}\ \mathrm{J\cdot K^{-1}}\)
Постоянная Стефана — Больцмана: \(\sigma = 56.703\ \mathrm{nW/(m^2\cdot K^4)}\)
Заряд протона: \(e = 1.60217733\cdot10^{-19}\ \mathrm{C}\)
Масса электрона: \(m_e = 9.1093897\cdot10^{-31}\ \mathrm{kg}\)
Постоянная Планка: \(h = 6.6260755\cdot10^{-34}\ \mathrm{J\cdot s}\)
Температура нуля шкалы Цельсия: \(T_K = 273.15\ \mathrm{K}\)
Масса Солнца: \(M_S = 1.991\cdot10^{30}\ \mathrm{kg}\)
Масса Земли: \(M_E = 5.979\cdot10^{24}\ \mathrm{kg}\)
Средний радиус Земли: \(r_E = 6.373\ \mathrm{Mm}\)
Большая полуось орбиты Земли: \(R_E = 1.4957\cdot10^{11}\ \mathrm{m}\)
Звёздные сутки: \(d_S = 86.16406\ \mathrm{ks}\)
Год: \(y = 31.558150\ \mathrm{Ms}\)
Стандартное значение напряжённости гравитационного поля на поверхности Земли: \(g = 9.80665\ \mathrm{m\cdot s^{-2}}\)
Стандартное значение атмосферного давления на уровне моря: \(p_0 = 101325\ \mathrm{Pa}\)
Показатель преломления воздуха для видимого света при стандартном давлении и \(15^\circ\mathrm{C}\): \(n_{\mathrm{air}} = 1.000277\)
Солнечная постоянная: \(S = 1355\ \mathrm{W\cdot m^{-2}}\)
Масса Юпитера: \(M = 1.901\cdot10^{27}\ \mathrm{kg}\)
Экваториальный радиус Юпитера: \(R_B = 69.8\ \mathrm{Mm}\)
Средний радиус орбиты Юпитера: \(R = 7.783\cdot10^{11}\ \mathrm{m}\)
Сутки на Юпитере: \(d_J = 35.6\ \mathrm{ks}\)
Год на Юпитере: \(y_J = 374.32\ \mathrm{Ms}\)
\(\pi\): \(3.14159265\)
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
-
После облучения: \[ \boxed{T_1=322.1\ \mathrm{K}=49.0^\circ\mathrm{C},\qquad p_1=102.3\ \mathrm{kPa}.} \]
-
Механическая работа, совершённая газом: \[ \boxed{W=24.1\ \mathrm{J}.} \]
-
Поглощённая энергия излучения: \[ \boxed{E_{\mathrm{abs}}=84.4\ \mathrm{J}.} \]
-
Поглощаемая мощность лазера и число поглощаемых фотонов в единицу времени: \[ \boxed{P_{\mathrm{abs}}=8.44\ \mathrm{W},\qquad \dot N=2.18\times10^{19}\ \mathrm{s^{-1}}.} \]
-
КПД преобразования энергии в увеличение гравитационной потенциальной энергии пластины: \[ \boxed{\eta=2.79\times10^{-3}=0.279\%.} \]
-
И давление, и температура уменьшаются. После поворота: \[ \boxed{p_2=101.3\ \mathrm{kPa},\qquad T_2=321.2\ \mathrm{K}=48.1^\circ\mathrm{C}.} \]
Решение
Используем приближение идеального газа и заданную постоянную молярную теплоёмкость; теплообменом с окружающей средой и потерями энергии на трение пренебрегаем. В начальном и конечном состояниях макроскопическая кинетическая энергия отсутствует. Ниже используется давление в помещении, указанное в условии этой задачи: \(p_0=101.3\ \mathrm{kPa}\).
Площадь поперечного сечения цилиндра и измеренное увеличение объёма равны \[ A=\pi r^2=\pi(0.0500)^2 =7.85398\times10^{-3}\ \mathrm{m^2}, \] \[ \Delta V=A\Delta s =(7.85398\times10^{-3})(0.0300) =2.35619\times10^{-4}\ \mathrm{m^3}. \]
1. Температура и давление после облучения
При механическом равновесии в вертикальном положении направленная вверх сила давления газа уравновешивает силу атмосферного давления и силу тяжести пластины: \[ p_1A=p_0A+mg. \] Отсюда \[ p_1=p_0+\frac{mg}{A} =101300+\frac{(0.800)(9.80665)}{7.85398\times10^{-3}} =102298.9\ \mathrm{Pa}. \] То же условие равновесия выполняется до облучения, поэтому начальное и конечное давления газа равны: \[ \boxed{p_1=102.3\ \mathrm{kPa}.} \]
Пусть \(V_0\) и \(V_1\) — объёмы газа до и после облучения. Применяя уравнение состояния идеального газа к обоим состояниям, получаем \[ p_1V_0=nRT_0,\qquad p_1V_1=nRT_1. \] Вычитая, находим \[ p_1\Delta V=nR(T_1-T_0). \] При \(T_0=293.15\ \mathrm{K}\) \[ T_1-T_0 =\frac{(102298.9)(2.35619\times10^{-4})} {(0.100)(8.314510)} =28.9898\ \mathrm{K}. \] Следовательно, \[ \boxed{T_1=322.1\ \mathrm{K}=49.0^\circ\mathrm{C}.} \]
2. Механическая работа, совершённая газом
Противодействующая сила \(p_0A+mg\) постоянна. При пренебрежимо малых потерях на трение и нулевой начальной и конечной кинетической энергии пластины газ совершает работу \[ W=(p_0A+mg)\Delta s =p_0\Delta V+mg\Delta s =p_1\Delta V. \] Численно \[ W=(102298.9)(2.35619\times10^{-4}) =24.1036\ \mathrm{J}, \] так что \[ \boxed{W=24.1\ \mathrm{J}.} \]
Она складывается из работы против атмосферного давления, равной \(23.8683\ \mathrm{J}\), и работы по подъёму пластины, равной \(0.235360\ \mathrm{J}\).
3. Поглощённая энергия излучения
Поглощённое излучение быстро превращается в тепловую энергию. Закон сохранения энергии, если считать работу положительной, когда её совершает газ, даёт \[ E_{\mathrm{abs}}=\Delta U+W. \] Для идеального газа \[ \Delta U=nc_V(T_1-T_0) =(0.100)(20.8)(28.9898) =60.2988\ \mathrm{J}. \] Следовательно, \[ E_{\mathrm{abs}}=60.2988+24.1036 =84.4024\ \mathrm{J}, \] или \[ \boxed{E_{\mathrm{abs}}=84.4\ \mathrm{J}.} \]
Эквивалентно, поскольку \(W=nR(T_1-T_0)\), \[ E_{\mathrm{abs}}=n(c_V+R)(T_1-T_0)=nc_P(T_1-T_0), \] где \[ c_P=c_V+R=29.114510\ \mathrm{J\,mol^{-1}K^{-1}}. \]
4. Поглощаемая мощность и число поглощаемых фотонов в единицу времени
Мощность лазера постоянна, поэтому \[ P_{\mathrm{abs}}=\frac{E_{\mathrm{abs}}}{\Delta t} =\frac{84.4024}{10.0} =\boxed{8.44\ \mathrm{W}}. \]
Каждый падающий фотон лазерного излучения обладает энергией \[ \varepsilon_\gamma=\frac{hc}{\lambda} =\frac{(6.6260755\times10^{-34})(299792458)} {514\times10^{-9}} =3.86468\times10^{-19}\ \mathrm{J}. \] Все падающие фотоны лазерного излучения, поступающие в газ, поглощаются, поэтому число поглощаемых фотонов в единицу времени равно \[ \dot N=\frac{P_{\mathrm{abs}}}{\varepsilon_\gamma} =\frac{8.44024}{3.86468\times10^{-19}} =\boxed{2.18\times10^{19}\ \mathrm{s^{-1}}}. \] Это также число элементарных актов поглощения фотонов лазерного излучения в единицу времени.
5. КПД преобразования энергии в потенциальную энергию пластины
Гравитационная потенциальная энергия пластины увеличивается на \[ \Delta E_{\mathrm{pot}}=mg\Delta s =(0.800)(9.80665)(0.0300) =0.235360\ \mathrm{J}. \] Следовательно, искомый КПД равен \[ \eta=\frac{\Delta E_{\mathrm{pot}}}{E_{\mathrm{abs}}} =\frac{0.235360}{84.4024} =2.78854\times10^{-3}. \] Таким образом, \[ \boxed{\eta=2.79\times10^{-3}=0.279\%.} \] Его малое значение обусловлено затратами энергии на нагрев газа и вытеснение окружающего воздуха.
6. Давление и температура после поворота
Пусть \(\theta\) — угол между осью цилиндра и вертикалью, направленной вверх. Во время медленного поворота условие механического равновесия вдоль оси даёт \[ p(\theta)A=p_0A+mg\cos\theta, \] так что \[ p(\theta)=p_0+\frac{mg}{A}\cos\theta. \] При \(\theta=90^\circ\) сила тяжести пластины не имеет составляющей вдоль оси. Следовательно, \[ \boxed{p_2=p_0=101.3\ \mathrm{kPa}.} \]
Поворот происходит медленно, а теплообмен и диссипация энергии вследствие трения пренебрежимо малы. Поэтому газ испытывает квазистатическое адиабатическое расширение. Первое начало термодинамики даёт \[ nc_V\,dT=-p\,dV. \] Используя \(p=nRT/V\), получаем \[ c_V\frac{dT}{T}=-R\frac{dV}{V}. \] Интегрирование даёт \[ TV^{R/c_V}=\text{постоянная}, \] или, вводя обозначение \[ \gamma=\frac{c_P}{c_V} =\frac{c_V+R}{c_V} =1.399736, \] \[ TV^{\gamma-1}=\text{постоянная}. \]
Исключая объём с помощью уравнения состояния идеального газа, получаем \[ \frac{T_2}{T_1} =\left(\frac{p_2}{p_1}\right)^{(\gamma-1)/\gamma} =\left(\frac{p_0}{p_1}\right)^{R/(c_V+R)}. \] Следовательно, \[ T_2 =322.1398 \left(\frac{101300}{102298.9}\right)^{8.314510/29.114510} =321.2384\ \mathrm{K}. \] Таким образом, \[ \boxed{T_2=321.2\ \mathrm{K}=48.1^\circ\mathrm{C}.} \]
И давление, и температура уменьшаются; температура падает примерно на \(0.90\ \mathrm{K}\), поскольку расширяющийся газ совершает работу за счёт своей внутренней энергии.
Решение проверено по официальному решению.
IPhO 1999 · مسألة نظرية 1
امتصاص غاز للإشعاع
يحتوي وعاء أسطواني، محوره رأسي، على غاز جزيئي في حالة اتزان ديناميكي حراري. تتكون القاعدة العلوية للأسطوانة من لوح زجاجي يمكنه التحرك بحرية؛ ولنفترض أنه لا يوجد تسرب للغاز، وأن الاحتكاك بين اللوح الزجاجي وجدران الأسطوانة يكفي فقط لتخميد الاهتزازات، لكنه لا يتسبب في فقد ملحوظ للطاقة مقارنة بالطاقات الأخرى المعنية. في البداية، تكون درجة حرارة الغاز مساوية لدرجة حرارة الوسط المحيط. ويمكن اعتبار الغاز مثاليًا بتقريب جيد. لنفترض أن جدران الأسطوانة (بما فيها القاعدتان) ذات موصلية حرارية وسعة حرارية منخفضتين جدًا، ولذلك يكون انتقال الحرارة بين الغاز والوسط المحيط بطيئًا جدًا، ويمكن إهماله في حل هذه المسألة.
نُدخل إلى الأسطوانة، عبر اللوح الزجاجي، الضوء المنبعث من ليزر ذي قدرة ثابتة؛ ينفذ هذا الإشعاع بسهولة عبر الهواء والزجاج، لكن الغاز داخل الوعاء يمتصه بالكامل. وبامتصاص هذا الإشعاع، تنتقل الجزيئات إلى حالات مثارة، تُصدر منها سريعًا إشعاعًا تحت أحمر، عائدةً على مراحل إلى الحالة الأساسية للجزيء؛ غير أن جزيئات أخرى تمتص هذا الإشعاع تحت الأحمر بدورها، وتعكسه جدران الوعاء، بما فيها اللوح الزجاجي. ومن ثم تتحول الطاقة الممتصة من الليزر، خلال زمن قصير جدًا، إلى حركة حرارية (حركة جزيئية عشوائية)، وتبقى بعد ذلك في الغاز زمنًا طويلًا بما يكفي.
نلاحظ أن اللوح الزجاجي يتحرك إلى أعلى؛ وبعد زمن معين من التشعيع نطفئ الليزر ونقيس هذه الإزاحة.
- باستخدام المعطيات أدناه، ومعطيات ورقة الثوابت الفيزيائية عند الحاجة، احسب درجة حرارة الغاز وضغطه بعد التشعيع. [2 نقطة]
- احسب الشغل الميكانيكي الذي يبذله الغاز نتيجة امتصاص الإشعاع. [1 نقطة]
- احسب الطاقة الإشعاعية الممتصة أثناء التشعيع. [2 نقطة]
- احسب قدرة الإشعاع المنبعث من الليزر التي يمتصها الغاز، والعدد المقابل من الفوتونات (ومن ثم من عمليات الامتصاص الأولية) في وحدة الزمن. [1.5 نقطة]
- احسب كفاءة عملية تحويل الطاقة الضوئية إلى تغير في طاقة الوضع الميكانيكية للوح الزجاجي. [1 نقطة]
بعد ذلك، يُدار محور الأسطوانة ببطء بزاوية 90°، ليصبح أفقيًا. ويظل بالإمكان إهمال التبادل الحراري بين الغاز والوعاء.
- بيّن ما إذا كان ضغط الغاز و/أو درجة حرارته يتغيران نتيجة هذا الدوران، وإذا حدث تغير، فما القيمة الجديدة لكل كمية تتغير. [2.5 نقطة]
المعطيات
ضغط الغرفة: \(p_0 = 101.3\ \mathrm{kPa}\)
درجة حرارة الغرفة: \(T_0 = 20.0^\circ\mathrm{C}\)
القطر الداخلي للأسطوانة: \(2r = 100\ \mathrm{mm}\)
كتلة اللوح الزجاجي: \(m = 800\ \mathrm{g}\)
كمية المادة الغازية داخل الوعاء: \(n = 0.100\ \mathrm{mol}\)
السعة الحرارية المولية للغاز عند حجم ثابت: \(c_V = 20.8\ \mathrm{J/(mol\cdot K)}\)
الطول الموجي لإشعاع الليزر: \(\lambda = 514\ \mathrm{nm}\)
زمن التشعيع: \(\Delta t = 10.0\ \mathrm{s}\)
إزاحة اللوح المتحرك بعد التشعيع: \(\Delta s = 30.0\ \mathrm{mm}\)
الثوابت الفيزيائية والمعطيات العامة
إضافة إلى المعطيات العددية الواردة في نص كل مسألة، قد تكون معرفة بعض المعطيات العامة والثوابت الفيزيائية مفيدة، ويمكنكم العثور عليها ضمن القائمة التالية. وهذه من أدق المعطيات المتاحة حاليًا تقريبًا، ولذلك تتضمن عددًا كبيرًا من الأرقام؛ ومع ذلك، يُتوقع منكم كتابة نتائجكم بعدد من الأرقام يناسب كل مسألة.
سرعة الضوء في الفراغ: \(c = 299792458\ \mathrm{m\cdot s^{-1}}\)
النفاذية المغناطيسية للفراغ: \(\mu_0 = 4\pi\cdot10^{-7}\ \mathrm{H\cdot m^{-1}}\)
السماحية الكهربائية للفراغ: \(\varepsilon_0 = 8.8541878\ \mathrm{pF\cdot m^{-1}}\)
ثابت الجذب العام: \(G = 6.67259\cdot10^{-11}\ \mathrm{m^3/(kg\cdot s^2)}\)
ثابت الغازات: \(R = 8.314510\ \mathrm{J/(mol\cdot K)}\)
ثابت بولتزمان: \(k = 1.380658\cdot10^{-23}\ \mathrm{J\cdot K^{-1}}\)
ثابت ستيفان: \(\sigma = 56.703\ \mathrm{nW/(m^2\cdot K^4)}\)
شحنة البروتون: \(e = 1.60217733\cdot10^{-19}\ \mathrm{C}\)
كتلة الإلكترون: \(m_e = 9.1093897\cdot10^{-31}\ \mathrm{kg}\)
ثابت بلانك: \(h = 6.6260755\cdot10^{-34}\ \mathrm{J\cdot s}\)
نقطة الصفر في المقياس المئوي: \(T_K = 273.15\ \mathrm{K}\)
كتلة الشمس: \(M_S = 1.991\cdot10^{30}\ \mathrm{kg}\)
كتلة الأرض: \(M_E = 5.979\cdot10^{24}\ \mathrm{kg}\)
متوسط نصف قطر الأرض: \(r_E = 6.373\ \mathrm{Mm}\)
نصف المحور الأكبر لمدار الأرض: \(R_E = 1.4957\cdot10^{11}\ \mathrm{m}\)
اليوم النجمي: \(d_S = 86.16406\ \mathrm{ks}\)
السنة: \(y = 31.558150\ \mathrm{Ms}\)
القيمة القياسية لشدة مجال الجاذبية عند سطح الأرض: \(g = 9.80665\ \mathrm{m\cdot s^{-2}}\)
القيمة القياسية للضغط الجوي عند مستوى سطح البحر: \(p_0 = 101325\ \mathrm{Pa}\)
معامل انكسار الهواء للضوء المرئي، عند الضغط القياسي ودرجة حرارة \(15^\circ\mathrm{C}\): \(n_{\mathrm{air}} = 1.000277\)
الثابت الشمسي: \(S = 1355\ \mathrm{W\cdot m^{-2}}\)
كتلة المشتري: \(M = 1.901\cdot10^{27}\ \mathrm{kg}\)
نصف قطر المشتري الاستوائي: \(R_B = 69.8\ \mathrm{Mm}\)
متوسط نصف قطر مدار المشتري: \(R = 7.783\cdot10^{11}\ \mathrm{m}\)
يوم المشتري: \(d_J = 35.6\ \mathrm{ks}\)
سنة المشتري: \(y_J = 374.32\ \mathrm{Ms}\)
\(\pi\): \(3.14159265\)
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
-
بعد التشعيع: \[ \boxed{T_1=322.1\ \mathrm{K}=49.0^\circ\mathrm{C},\qquad p_1=102.3\ \mathrm{kPa}.} \]
-
الشغل الميكانيكي الذي يبذله الغاز: \[ \boxed{W=24.1\ \mathrm{J}.} \]
-
الطاقة الإشعاعية الممتصة: \[ \boxed{E_{\mathrm{abs}}=84.4\ \mathrm{J}.} \]
-
قدرة الليزر الممتصة ومعدل امتصاص الفوتونات: \[ \boxed{P_{\mathrm{abs}}=8.44\ \mathrm{W},\qquad \dot N=2.18\times10^{19}\ \mathrm{s^{-1}}.} \]
-
كفاءة زيادة طاقة وضع اللوح في مجال الجاذبية: \[ \boxed{\eta=2.79\times10^{-3}=0.279\%.} \]
-
ينخفض كل من الضغط ودرجة الحرارة. بعد الدوران: \[ \boxed{p_2=101.3\ \mathrm{kPa},\qquad T_2=321.2\ \mathrm{K}=48.1^\circ\mathrm{C}.} \]
الحل
نستخدم تقريب الغاز المثالي، والسعة الحرارية المولية الثابتة المعطاة، مع إهمال تسرب الحرارة وفقد الطاقة بالاحتكاك. ولا توجد طاقة حركية عيانية في الحالتين الابتدائية والنهائية. وضغط الغرفة المستخدم أدناه هو القيمة الخاصة بهذه المسألة \(p_0=101.3\ \mathrm{kPa}\).
مساحة المقطع العرضي للأسطوانة والزيادة المقيسة في الحجم هما \[ A=\pi r^2=\pi(0.0500)^2 =7.85398\times10^{-3}\ \mathrm{m^2}, \] \[ \Delta V=A\Delta s =(7.85398\times10^{-3})(0.0300) =2.35619\times10^{-4}\ \mathrm{m^3}. \]
1. درجة الحرارة والضغط بعد التشعيع
في حالة الاتزان الميكانيكي في الاتجاه الرأسي، توازن قوة الغاز المتجهة إلى أعلى القوة الناتجة عن الضغط الجوي ووزن اللوح: \[ p_1A=p_0A+mg. \] إذن \[ p_1=p_0+\frac{mg}{A} =101300+\frac{(0.800)(9.80665)}{7.85398\times10^{-3}} =102298.9\ \mathrm{Pa}. \] ينطبق شرط الاتزان نفسه قبل التشعيع، ولذلك يتساوى ضغطا الغاز الابتدائي والنهائي: \[ \boxed{p_1=102.3\ \mathrm{kPa}.} \]
ليكن \(V_0\) و\(V_1\) حجمي الغاز قبل التشعيع وبعده. بتطبيق قانون الغاز المثالي على الحالتين، نحصل على \[ p_1V_0=nRT_0,\qquad p_1V_1=nRT_1. \] وبالطرح نحصل على \[ p_1\Delta V=nR(T_1-T_0). \] وباستخدام \(T_0=293.15\ \mathrm{K}\)، \[ T_1-T_0 =\frac{(102298.9)(2.35619\times10^{-4})} {(0.100)(8.314510)} =28.9898\ \mathrm{K}. \] وعليه \[ \boxed{T_1=322.1\ \mathrm{K}=49.0^\circ\mathrm{C}.} \]
2. الشغل الميكانيكي الذي يبذله الغاز
القوة المعاكسة \(p_0A+mg\) ثابتة. ومع إهمال الفقد بالاحتكاك وانعدام الطاقة الحركية للوح في الحالتين الابتدائية والنهائية، يبذل الغاز شغلًا مقداره \[ W=(p_0A+mg)\Delta s =p_0\Delta V+mg\Delta s =p_1\Delta V. \] عدديًا، \[ W=(102298.9)(2.35619\times10^{-4}) =24.1036\ \mathrm{J}, \] ومن ثم \[ \boxed{W=24.1\ \mathrm{J}.} \]
يتكون هذا الشغل من \(23.8683\ \mathrm{J}\) تُبذل ضد الضغط الجوي، و\(0.235360\ \mathrm{J}\) تُبذل في رفع اللوح.
3. الطاقة الإشعاعية الممتصة
يتحول الإشعاع الممتص سريعًا إلى طاقة حرارية. ويعطي حفظ الطاقة، مع اعتبار الشغل موجبًا عندما يبذله الغاز، \[ E_{\mathrm{abs}}=\Delta U+W. \] بالنسبة إلى الغاز المثالي، \[ \Delta U=nc_V(T_1-T_0) =(0.100)(20.8)(28.9898) =60.2988\ \mathrm{J}. \] وبالتالي، \[ E_{\mathrm{abs}}=60.2988+24.1036 =84.4024\ \mathrm{J}, \] أي \[ \boxed{E_{\mathrm{abs}}=84.4\ \mathrm{J}.} \]
وبصورة مكافئة، بما أن \(W=nR(T_1-T_0)\)، فإن \[ E_{\mathrm{abs}}=n(c_V+R)(T_1-T_0)=nc_P(T_1-T_0), \] حيث \[ c_P=c_V+R=29.114510\ \mathrm{J\,mol^{-1}K^{-1}}. \]
4. القدرة الممتصة ومعدل امتصاص الفوتونات
قدرة الليزر ثابتة، ومن ثم \[ P_{\mathrm{abs}}=\frac{E_{\mathrm{abs}}}{\Delta t} =\frac{84.4024}{10.0} =\boxed{8.44\ \mathrm{W}}. \]
لكل فوتون ليزر ساقط طاقة مقدارها \[ \varepsilon_\gamma=\frac{hc}{\lambda} =\frac{(6.6260755\times10^{-34})(299792458)} {514\times10^{-9}} =3.86468\times10^{-19}\ \mathrm{J}. \] تُمتص جميع فوتونات الليزر الساقطة التي تدخل الغاز، ولذلك يكون معدل امتصاصها \[ \dot N=\frac{P_{\mathrm{abs}}}{\varepsilon_\gamma} =\frac{8.44024}{3.86468\times10^{-19}} =\boxed{2.18\times10^{19}\ \mathrm{s^{-1}}}. \] وهذا هو أيضًا معدل عمليات الامتصاص الأولية لفوتونات الليزر.
5. كفاءة التحويل إلى طاقة وضع اللوح
تزداد طاقة وضع اللوح في مجال الجاذبية بمقدار \[ \Delta E_{\mathrm{pot}}=mg\Delta s =(0.800)(9.80665)(0.0300) =0.235360\ \mathrm{J}. \] وعليه، فإن الكفاءة المطلوبة هي \[ \eta=\frac{\Delta E_{\mathrm{pot}}}{E_{\mathrm{abs}}} =\frac{0.235360}{84.4024} =2.78854\times10^{-3}. \] إذن \[ \boxed{\eta=2.79\times10^{-3}=0.279\%.} \] تعكس قيمتها الصغيرة الطاقة المستخدمة في تسخين الغاز وإزاحة الهواء المحيط.
6. الضغط ودرجة الحرارة بعد الدوران
لتكن \(\theta\) الزاوية بين محور الأسطوانة والاتجاه الرأسي نحو الأعلى. أثناء الدوران البطيء، يعطي الاتزان الميكانيكي على امتداد المحور \[ p(\theta)A=p_0A+mg\cos\theta, \] ومن ثم \[ p(\theta)=p_0+\frac{mg}{A}\cos\theta. \] عند \(\theta=90^\circ\)، لا تكون لوزن اللوح مركبة محورية. ولذلك \[ \boxed{p_2=p_0=101.3\ \mathrm{kPa}.} \]
الدوران بطيء، والتبادل الحراري وتبدد الطاقة بالاحتكاك مهملان. لذلك يخضع الغاز لتمدد كظومي شبه ساكن. ويعطي القانون الأول للديناميكا الحرارية \[ nc_V\,dT=-p\,dV. \] وباستخدام \(p=nRT/V\)، \[ c_V\frac{dT}{T}=-R\frac{dV}{V}. \] يعطي التكامل \[ TV^{R/c_V}=\text{ثابت}, \] أو، بتعريف \[ \gamma=\frac{c_P}{c_V} =\frac{c_V+R}{c_V} =1.399736, \] \[ TV^{\gamma-1}=\text{ثابت}. \]
بحذف الحجم باستخدام قانون الغاز المثالي نحصل على \[ \frac{T_2}{T_1} =\left(\frac{p_2}{p_1}\right)^{(\gamma-1)/\gamma} =\left(\frac{p_0}{p_1}\right)^{R/(c_V+R)}. \] وعليه \[ T_2 =322.1398 \left(\frac{101300}{102298.9}\right)^{8.314510/29.114510} =321.2384\ \mathrm{K}. \] إذن \[ \boxed{T_2=321.2\ \mathrm{K}=48.1^\circ\mathrm{C}.} \]
ينخفض كل من الضغط ودرجة الحرارة؛ وتنخفض درجة الحرارة بنحو \(0.90\ \mathrm{K}\) لأن الغاز المتمدد يبذل شغلًا على حساب طاقته الداخلية.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي.