IPhO 2004 · Theory problem 2
Rising Balloon
A rubber balloon filled with helium gas goes up high into the sky where the pressure and temperature decrease with height. In the following questions, assume that the shape of the balloon remains spherical regardless of the payload, and neglect the payload volume. Also assume that the temperature of the helium gas inside of the balloon is always the same as that of the ambient air, and treat all gases as ideal gases. The universal gas constant is \(R=8.31\ \mathrm{J/mol\cdot K}\) and the molar masses of helium and air are \(M_H=4.00\times10^{-3}\ \mathrm{kg/mol}\) and \(M_A=28.9\times10^{-3}\ \mathrm{kg/mol}\), respectively. The gravitational acceleration is \(g=9.8\ \mathrm{m/s^2}\).
[Part A ]
(a) [1.5 points] Let the pressure of the ambient air be \(P\) and the temperature be \(T\). The pressure inside of the balloon is higher than that of outside due to the surface tension of the balloon. The balloon contains \(n\) moles of helium gas and the pressure inside is \(P+\Delta P\). Find the buoyant force \(F_B\) acting on the balloon as a function of \(P\) and \(\Delta P\).
(b) [2 points] On one particular summer day in Korea, the air temperature \(T\) at the height \(z\) from the sea level was found to be \(T(z)=T_0(1-z/z_0)\) in the range of \(0<z<15\ \mathrm{km}\) with \(z_0=49\ \mathrm{km}\) and \(T_0=303\ \mathrm{K}\). The pressure and density at the sea level were \(P_0=1.0\ \mathrm{atm}=1.01\times10^5\ \mathrm{Pa}\) and \(\rho_0=1.16\ \mathrm{kg/m^3}\), respectively. For this height range, the pressure takes the form
\[ P(z)=P_0(1-z/z_0)^\eta. \tag{2.1} \]
Express \(\eta\) in terms of \(z_0\), \(\rho_0\), \(P_0\), and \(g\), and find its numerical value to the two significant digits. Treat the gravitational acceleration as a constant, independent of height.
[Part B ]
When a rubber balloon of spherical shape with un-stretched radius \(r_0\) is inflated to a sphere of radius \(r\) \((\ge r_0)\), the balloon surface contains extra elastic energy due to the stretching. In a simplistic theory, the elastic energy at constant temperature \(T\) can be expressed by
\[ U=4\pi r_0^2\kappa RT \left(2\lambda^2+\frac{1}{\lambda^4}-3\right) \tag{2.2} \]
where \(\lambda\equiv r/r_0\) \((\ge1)\) is the size-inflation ratio and \(\kappa\) is a constant in units of \(\mathrm{mol/m^2}\).
(c) [2 points] Express \(\Delta P\) in terms of parameters given in Eq. (2.2), and sketch \(\Delta P\) as a function of \(\lambda=r/r_0\).
(d) [1.5 points] The constant \(\kappa\) can be determined from the amount of the gas needed to inflate the balloon. At \(T_0=303\ \mathrm{K}\) and \(P_0=1.0\ \mathrm{atm}=1.01\times10^5\ \mathrm{Pa}\), an un-stretched balloon \((\lambda=1)\) contains \(n_0=12.5\) moles of helium. It takes \(n=3.6n_0=45\) moles in total to inflate the balloon to \(\lambda=1.5\) at the same \(T_0\) and \(P_0\). Express the balloon parameter \(a\), defined as \(a=\kappa/\kappa_0\), in terms of \(n\), \(n_0\), and \(\lambda\), where \(\kappa_0\equiv r_0P_0/(4RT_0)\). Evaluate \(a\) to the two significant digits.
[Part C]
A balloon is prepared as in (d) at the sea level (inflated to \(\lambda=1.5\) with \(n=3.6n_0=45\) moles of helium gas at \(T_0=303\ \mathrm{K}\) and \(P_0=1\ \mathrm{atm}=1.01\times10^5\ \mathrm{Pa}\)). The total mass including gas, balloon itself, and other payloads is \(M_T=1.12\ \mathrm{kg}\). Now let the balloon rise from the sea level.
(e) [3 points] Suppose that the balloon eventually stops at the height \(z_f\) where the buoyant force balances the total weight. Find \(z_f\) and the inflation ratio \(\lambda_f\) at that height. Give the answers in two significant digits. Assume there are no drift effect and no gas leakage during the upward flight.
Official English text of the problem.
Answers
-
(a) The upward buoyant force is \[ \boxed{F_B=nM_Ag\,\frac{P}{P+\Delta P}}. \]
-
(b) \[ \boxed{\eta=\frac{\rho_0gz_0}{P_0}=5.5}. \]
-
(c) \[ \boxed{\Delta P=\frac{4\kappa RT}{r_0} \left(\lambda^{-1}-\lambda^{-7}\right)}. \] The curve starts at \((1,0)\), reaches its single maximum at \(\lambda=7^{1/6}\approx1.38\), and then decreases toward zero from above.
-
(d) \[ \boxed{a=\frac{n/n_0-\lambda^3}{\lambda^2-\lambda^{-4}}=0.11}. \]
-
(e) \[ \boxed{z_f=1.1\times10^4\ \mathrm{m}=11\ \mathrm{km}, \qquad \lambda_f=2.1}. \] The unrounded results are \(z_f=11.095\ \mathrm{km}\) and \(\lambda_f=2.14594\); using the rounded values \(\eta=5.5\) and \(a=0.11\) instead gives the same answers to two significant digits.
Solution
(a)
By Archimedes’ principle, the buoyant force equals the weight of the displaced air. Treating ambient density as uniform over the balloon’s dimensions,
\[ F_B=\rho_A Vg. \]
The ideal-gas equations for the surrounding air and the helium give
\[ \rho_A=\frac{PM_A}{RT}, \qquad V=\frac{nRT}{P+\Delta P}. \]
The common temperature therefore cancels:
\[ \boxed{F_B=nM_Ag\,\frac{P}{P+\Delta P}}. \]
This is the buoyant force alone. The weights of the helium, envelope, and payload enter separately in the total force balance.
(b)
The atmosphere is in hydrostatic equilibrium:
\[ \frac{dP}{dz}=-\rho(z)g. \]
For ideal air of constant composition,
\[ \frac{\rho(z)}{\rho_0} =\frac{P(z)}{P_0}\frac{T_0}{T(z)}. \]
Using the prescribed temperature and pressure profiles,
\[ \rho(z)=\rho_0 \left(1-\frac{z}{z_0}\right)^{\eta-1}. \]
Differentiating Eq. (2.1) and substituting into the hydrostatic equation gives
\[ -\frac{\eta P_0}{z_0} \left(1-\frac{z}{z_0}\right)^{\eta-1} = -\rho_0g \left(1-\frac{z}{z_0}\right)^{\eta-1}. \]
Consequently,
\[ \boxed{\eta=\frac{\rho_0gz_0}{P_0}}. \]
Numerically,
\[ \eta= \frac{(1.16)(9.8)(49\times10^3)} {1.01\times10^5} =5.51517\ldots, \]
so, to two significant digits,
\[ \boxed{\eta=5.5}. \]
(c)
For a quasistatic expansion at fixed temperature, the work done by the excess internal pressure supplies the increase in the modeled elastic energy:
\[ \Delta P\,dV=dU. \]
The balloon volume is
\[ V=\frac{4\pi}{3}r_0^3\lambda^3, \qquad \frac{dV}{d\lambda}=4\pi r_0^3\lambda^2. \]
From Eq. (2.2),
\[ \left(\frac{\partial U}{\partial\lambda}\right)_T =16\pi r_0^2\kappa RT \left(\lambda-\lambda^{-5}\right). \]
Thus
\[ \boxed{ \Delta P =\frac{(\partial U/\partial\lambda)_T}{dV/d\lambda} =\frac{4\kappa RT}{r_0} \left(\lambda^{-1}-\lambda^{-7}\right) }. \]
To specify the sketch, define the pressure scale
\[ C=\frac{4\kappa RT}{r_0}. \]
Then
\[ \frac{d\Delta P}{d\lambda} =C\lambda^{-8}(7-\lambda^6). \]
The curve has the following features:
- Its physical domain is \(\lambda\ge1\), and it starts at \(\Delta P=0\) when \(\lambda=1\).
- It rises with positive slope until \[ \lambda_{\max}=7^{1/6}=1.38309\ldots. \]
- Its maximum value is \[ \Delta P_{\max} =C\frac{6}{7^{7/6}} \approx0.620\,C. \]
- After the maximum, it decreases monotonically, remaining positive. At large inflation, \[ \Delta P\sim\frac{C}{\lambda}\longrightarrow0^+, \] so the horizontal axis is an asymptote.
(d)
Let
\[ V_0=\frac{4\pi}{3}r_0^3. \]
At \(\lambda=1\), part (c) gives \(\Delta P=0\). Hence the un-stretched balloon satisfies
\[ P_0V_0=n_0RT_0. \]
Since
\[ a=\frac{\kappa}{\kappa_0} =\frac{4\kappa RT_0}{r_0P_0}, \]
the excess pressure at temperature \(T_0\) is
\[ \frac{\Delta P}{P_0} =a\left(\lambda^{-1}-\lambda^{-7}\right). \]
The inflated balloon satisfies
\[ (P_0+\Delta P)V_0\lambda^3=nRT_0. \]
Dividing by \(P_0V_0=n_0RT_0\),
\[ \frac{n}{n_0} =\lambda^3\left[ 1+a\left(\lambda^{-1}-\lambda^{-7}\right) \right] =\lambda^3+a\left(\lambda^2-\lambda^{-4}\right). \]
Therefore,
\[ \boxed{ a=\frac{n/n_0-\lambda^3}{\lambda^2-\lambda^{-4}} }. \]
Substitution gives
\[ a=\frac{3.6-1.5^3}{1.5^2-1.5^{-4}} =0.109624\ldots, \]
and hence
\[ \boxed{a=0.11}. \]
(e)
Define the dimensionless temperature
\[ t=\frac{T}{T_0}=1-\frac{z}{z_0}. \]
Then
\[ P=P_0t^\eta, \qquad \Delta P=aP_0t \left(\lambda^{-1}-\lambda^{-7}\right). \]
Because no helium escapes, \(n\) remains constant. Its ideal-gas equation is
\[ \left[ P_0t^\eta+aP_0t \left(\lambda^{-1}-\lambda^{-7}\right) \right]V_0\lambda^3 =nRT_0t. \]
Using \(P_0V_0=n_0RT_0\) and dividing by \(t\),
\[ \frac{n}{n_0} =t^{\eta-1}\lambda^3 +a\left(\lambda^2-\lambda^{-4}\right). \tag{1} \]
The displaced air mass follows from its ideal-gas density:
\[ \rho_A V =\frac{M_AP}{RT}V_0\lambda^3 =n_0M_A\,t^{\eta-1}\lambda^3. \]
At the final height, buoyancy balances the entire weight:
\[ n_0M_Ag\,t_f^{\eta-1}\lambda_f^3=M_Tg, \]
so
\[ t_f^{\eta-1}\lambda_f^3 =\frac{M_T}{n_0M_A}. \tag{2} \]
The helium’s weight is already included in \(M_Tg\).
Eliminating the atmospheric factor between (1) and (2) gives an equation for the final inflation alone:
\[ a\left(\lambda_f^2-\lambda_f^{-4}\right) =\frac{n}{n_0}-\frac{M_T}{n_0M_A}. \]
Keeping unrounded intermediate values,
\[ \frac{M_T}{n_0M_A} =\frac{1.12}{(12.5)(28.9\times10^{-3})} =3.100346\ldots, \]
and therefore
\[ \lambda_f^2-\lambda_f^{-4} =\frac{3.6-3.100346\ldots}{0.109624\ldots} =4.557886\ldots. \]
The left side increases strictly for \(\lambda_f\ge1\), because its derivative is \(2\lambda_f+4\lambda_f^{-5}>0\). Thus there is a unique physical root:
\[ \lambda_f=2.145936\ldots. \]
Equation (2) now gives
\[ t_f= \left( \frac{M_T}{n_0M_A\lambda_f^3} \right)^{1/(\eta-1)} =0.773571\ldots. \]
Consequently,
\[ z_f=z_0(1-t_f) =(49\ \mathrm{km})(1-0.773571\ldots) =11.0950\ldots\ \mathrm{km}. \]
To two significant digits,
\[ \boxed{\lambda_f=2.1,\qquad z_f=11\ \mathrm{km}}. \]
The final height lies within the specified atmospheric range. The balloon also has positive initial lift: at sea level, its displaced air mass is
\[ n_0M_A(1.5)^3=1.2192\ldots\ \mathrm{kg}>M_T. \]
The solution was checked against the official solution.
IPhO 2004 · Theorieaufgabe 2
Aufsteigender Ballon
Ein mit Heliumgas gefüllter Gummiballon steigt hoch in den Himmel auf, wo Druck und Temperatur mit zunehmender Höhe abnehmen. Nehmen Sie bei den folgenden Fragen an, dass der Ballon unabhängig von der Nutzlast kugelförmig bleibt, und vernachlässigen Sie das Volumen der Nutzlast. Nehmen Sie außerdem an, dass die Temperatur des Heliumgases im Inneren des Ballons stets gleich der Temperatur der Umgebungsluft ist, und behandeln Sie alle Gase als ideale Gase. Die universelle Gaskonstante ist \(R=8.31\ \mathrm{J/mol\cdot K}\), und die molaren Massen von Helium und Luft betragen \(M_H=4.00\times10^{-3}\ \mathrm{kg/mol}\) bzw. \(M_A=28.9\times10^{-3}\ \mathrm{kg/mol}\). Die Fallbeschleunigung beträgt \(g=9.8\ \mathrm{m/s^2}\).
[Teil A ]
(a) [1.5 Punkte] Der Druck der Umgebungsluft sei \(P\) und ihre Temperatur \(T\). Aufgrund der Oberflächenspannung des Ballons ist der Druck im Inneren höher als der Außendruck. Der Ballon enthält \(n\) Mol Heliumgas, und der Innendruck beträgt \(P+\Delta P\). Bestimmen Sie die auf den Ballon wirkende Auftriebskraft \(F_B\) als Funktion von \(P\) und \(\Delta P\).
(b) [2 Punkte] An einem bestimmten Sommertag in Korea wurde festgestellt, dass die Lufttemperatur \(T\) in der Höhe \(z\) über dem Meeresspiegel im Bereich \(0<z<15\ \mathrm{km}\) durch \(T(z)=T_0(1-z/z_0)\) mit \(z_0=49\ \mathrm{km}\) und \(T_0=303\ \mathrm{K}\) gegeben war. Druck und Dichte auf Meereshöhe betrugen \(P_0=1.0\ \mathrm{atm}=1.01\times10^5\ \mathrm{Pa}\) bzw. \(\rho_0=1.16\ \mathrm{kg/m^3}\). In diesem Höhenbereich hat der Druck die Form
\[ P(z)=P_0(1-z/z_0)^\eta. \tag{2.1} \]
Drücken Sie \(\eta\) durch \(z_0\), \(\rho_0\), \(P_0\) und \(g\) aus und bestimmen Sie seinen Zahlenwert auf zwei signifikante Stellen. Behandeln Sie die Fallbeschleunigung als höhenunabhängige Konstante.
[Teil B ]
Wird ein kugelförmiger Gummiballon mit dem Radius \(r_0\) im ungedehnten Zustand zu einer Kugel mit dem Radius \(r\) \((\ge r_0)\) aufgeblasen, so speichert die Ballonoberfläche durch die Dehnung zusätzliche elastische Energie. In einer vereinfachten Theorie lässt sich die elastische Energie bei konstanter Temperatur \(T\) ausdrücken als
\[ U=4\pi r_0^2\kappa RT \left(2\lambda^2+\frac{1}{\lambda^4}-3\right) \tag{2.2} \]
wobei \(\lambda\equiv r/r_0\) \((\ge1)\) das Aufblähungsverhältnis ist und \(\kappa\) eine Konstante mit der Einheit \(\mathrm{mol/m^2}\).
(c) [2 Punkte] Drücken Sie \(\Delta P\) durch die in Gl. (2.2) angegebenen Parameter aus und skizzieren Sie \(\Delta P\) als Funktion von \(\lambda=r/r_0\).
(d) [1.5 Punkte] Die Konstante \(\kappa\) kann aus der zum Aufblasen des Ballons benötigten Gasmenge bestimmt werden. Bei \(T_0=303\ \mathrm{K}\) und \(P_0=1.0\ \mathrm{atm}=1.01\times10^5\ \mathrm{Pa}\) enthält ein ungedehnter Ballon \((\lambda=1)\) \(n_0=12.5\) Mol Helium. Insgesamt sind \(n=3.6n_0=45\) Mol erforderlich, um den Ballon bei denselben Werten von \(T_0\) und \(P_0\) auf \(\lambda=1.5\) aufzublasen. Drücken Sie den durch \(a=\kappa/\kappa_0\) definierten Ballonparameter \(a\) durch \(n\), \(n_0\) und \(\lambda\) aus, wobei \(\kappa_0\equiv r_0P_0/(4RT_0)\). Berechnen Sie \(a\) auf zwei signifikante Stellen.
[Teil C]
Ein Ballon wird auf Meereshöhe wie in (d) vorbereitet (mit \(n=3.6n_0=45\) Mol Heliumgas bei \(T_0=303\ \mathrm{K}\) und \(P_0=1\ \mathrm{atm}=1.01\times10^5\ \mathrm{Pa}\) auf \(\lambda=1.5\) aufgeblasen). Die Gesamtmasse einschließlich Gas, Ballonhülle und weiterer Nutzlasten beträgt \(M_T=1.12\ \mathrm{kg}\). Nun wird der Ballon von Meereshöhe aus aufsteigen gelassen.
(e) [3 Punkte] Nehmen Sie an, dass der Ballon schließlich in der Höhe \(z_f\) zum Stillstand kommt, in der die Auftriebskraft die gesamte Gewichtskraft ausgleicht. Bestimmen Sie \(z_f\) und das Aufblähungsverhältnis \(\lambda_f\) in dieser Höhe. Geben Sie die Ergebnisse mit zwei signifikanten Stellen an. Nehmen Sie an, dass während des Aufstiegs weder Drifteffekte noch Gasverluste auftreten.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
-
(a) Die nach oben gerichtete Auftriebskraft beträgt \[ \boxed{F_B=nM_Ag\,\frac{P}{P+\Delta P}}. \]
-
(b) \[ \boxed{\eta=\frac{\rho_0gz_0}{P_0}=5.5}. \]
-
(c) \[ \boxed{\Delta P=\frac{4\kappa RT}{r_0} \left(\lambda^{-1}-\lambda^{-7}\right)}. \] Die Kurve beginnt bei \((1,0)\), erreicht ihr einziges Maximum bei \(\lambda=7^{1/6}\approx1.38\) und fällt anschließend von oben gegen null ab.
-
(d) \[ \boxed{a=\frac{n/n_0-\lambda^3}{\lambda^2-\lambda^{-4}}=0.11}. \]
-
(e) \[ \boxed{z_f=1.1\times10^4\ \mathrm{m}=11\ \mathrm{km}, \qquad \lambda_f=2.1}. \] Die ungerundeten Ergebnisse sind \(z_f=11.095\ \mathrm{km}\) und \(\lambda_f=2.14594\); mit den gerundeten Werten \(\eta=5.5\) und \(a=0.11\) ergeben sich auf zwei signifikante Stellen dieselben Ergebnisse.
Lösung
(a)
Nach dem archimedischen Prinzip ist die Auftriebskraft gleich der Gewichtskraft der verdrängten Luft. Wird die Dichte der Umgebungsluft über die Abmessungen des Ballons hinweg als gleichförmig betrachtet, gilt
\[ F_B=\rho_A Vg. \]
Die idealen Gasgleichungen für die umgebende Luft und das Helium ergeben
\[ \rho_A=\frac{PM_A}{RT}, \qquad V=\frac{nRT}{P+\Delta P}. \]
Die gemeinsame Temperatur kürzt sich daher heraus:
\[ \boxed{F_B=nM_Ag\,\frac{P}{P+\Delta P}}. \]
Dies ist allein die Auftriebskraft. Die Gewichtskräfte von Helium, Hülle und Nutzlast gehen gesondert in die gesamte Kräftebilanz ein.
(b)
Die Atmosphäre befindet sich im hydrostatischen Gleichgewicht:
\[ \frac{dP}{dz}=-\rho(z)g. \]
Für als ideales Gas behandelte Luft mit konstanter Zusammensetzung gilt
\[ \frac{\rho(z)}{\rho_0} =\frac{P(z)}{P_0}\frac{T_0}{T(z)}. \]
Mit den vorgegebenen Temperatur- und Druckprofilen folgt
\[ \rho(z)=\rho_0 \left(1-\frac{z}{z_0}\right)^{\eta-1}. \]
Durch Differenzieren von Gl. (2.1) und Einsetzen in die hydrostatische Gleichung erhält man
\[ -\frac{\eta P_0}{z_0} \left(1-\frac{z}{z_0}\right)^{\eta-1} = -\rho_0g \left(1-\frac{z}{z_0}\right)^{\eta-1}. \]
Folglich gilt
\[ \boxed{\eta=\frac{\rho_0gz_0}{P_0}}. \]
Numerisch ergibt sich
\[ \eta= \frac{(1.16)(9.8)(49\times10^3)} {1.01\times10^5} =5.51517\ldots, \]
also auf zwei signifikante Stellen
\[ \boxed{\eta=5.5}. \]
(c)
Bei einer quasistatischen Ausdehnung mit konstanter Temperatur bewirkt die vom inneren Überdruck verrichtete Arbeit die Zunahme der im Modell beschriebenen elastischen Energie:
\[ \Delta P\,dV=dU. \]
Das Ballonvolumen ist
\[ V=\frac{4\pi}{3}r_0^3\lambda^3, \qquad \frac{dV}{d\lambda}=4\pi r_0^3\lambda^2. \]
Aus Gl. (2.2) folgt
\[ \left(\frac{\partial U}{\partial\lambda}\right)_T =16\pi r_0^2\kappa RT \left(\lambda-\lambda^{-5}\right). \]
Somit gilt
\[ \boxed{ \Delta P =\frac{(\partial U/\partial\lambda)_T}{dV/d\lambda} =\frac{4\kappa RT}{r_0} \left(\lambda^{-1}-\lambda^{-7}\right) }. \]
Zur Beschreibung der Skizze definieren wir die Druckskala
\[ C=\frac{4\kappa RT}{r_0}. \]
Dann gilt
\[ \frac{d\Delta P}{d\lambda} =C\lambda^{-8}(7-\lambda^6). \]
Die Kurve weist folgende Eigenschaften auf:
- Ihr physikalischer Definitionsbereich ist \(\lambda\ge1\), und sie beginnt bei \(\Delta P=0\) für \(\lambda=1\).
- Sie steigt mit positiver Steigung bis \[ \lambda_{\max}=7^{1/6}=1.38309\ldots. \]
- Ihr Maximalwert beträgt \[ \Delta P_{\max} =C\frac{6}{7^{7/6}} \approx0.620\,C. \]
- Nach dem Maximum fällt sie monoton ab und bleibt dabei positiv. Bei starker Aufblähung gilt \[ \Delta P\sim\frac{C}{\lambda}\longrightarrow0^+, \] sodass die horizontale Achse eine Asymptote ist.
(d)
Es sei
\[ V_0=\frac{4\pi}{3}r_0^3. \]
Für \(\lambda=1\) ergibt Teil (c) \(\Delta P=0\). Daher gilt für den ungedehnten Ballon
\[ P_0V_0=n_0RT_0. \]
Da
\[ a=\frac{\kappa}{\kappa_0} =\frac{4\kappa RT_0}{r_0P_0}, \]
beträgt der Überdruck bei der Temperatur \(T_0\)
\[ \frac{\Delta P}{P_0} =a\left(\lambda^{-1}-\lambda^{-7}\right). \]
Für den aufgeblasenen Ballon gilt
\[ (P_0+\Delta P)V_0\lambda^3=nRT_0. \]
Division durch \(P_0V_0=n_0RT_0\) ergibt
\[ \frac{n}{n_0} =\lambda^3\left[ 1+a\left(\lambda^{-1}-\lambda^{-7}\right) \right] =\lambda^3+a\left(\lambda^2-\lambda^{-4}\right). \]
Daher folgt
\[ \boxed{ a=\frac{n/n_0-\lambda^3}{\lambda^2-\lambda^{-4}} }. \]
Einsetzen ergibt
\[ a=\frac{3.6-1.5^3}{1.5^2-1.5^{-4}} =0.109624\ldots, \]
und somit
\[ \boxed{a=0.11}. \]
(e)
Wir definieren die dimensionslose Temperatur
\[ t=\frac{T}{T_0}=1-\frac{z}{z_0}. \]
Dann gilt
\[ P=P_0t^\eta, \qquad \Delta P=aP_0t \left(\lambda^{-1}-\lambda^{-7}\right). \]
Da kein Helium entweicht, bleibt \(n\) konstant. Seine ideale Gasgleichung lautet
\[ \left[ P_0t^\eta+aP_0t \left(\lambda^{-1}-\lambda^{-7}\right) \right]V_0\lambda^3 =nRT_0t. \]
Unter Verwendung von \(P_0V_0=n_0RT_0\) und durch Division durch \(t\) ergibt sich
\[ \frac{n}{n_0} =t^{\eta-1}\lambda^3 +a\left(\lambda^2-\lambda^{-4}\right). \tag{1} \]
Die verdrängte Luftmasse folgt aus der Dichte der als ideales Gas behandelten Luft:
\[ \rho_A V =\frac{M_AP}{RT}V_0\lambda^3 =n_0M_A\,t^{\eta-1}\lambda^3. \]
In der Endhöhe gleicht die Auftriebskraft die gesamte Gewichtskraft aus:
\[ n_0M_Ag\,t_f^{\eta-1}\lambda_f^3=M_Tg, \]
also
\[ t_f^{\eta-1}\lambda_f^3 =\frac{M_T}{n_0M_A}. \tag{2} \]
Die Gewichtskraft des Heliums ist bereits in \(M_Tg\) enthalten.
Durch Eliminieren des atmosphärischen Faktors aus (1) und (2) erhält man eine Gleichung allein für das endgültige Aufblähungsverhältnis:
\[ a\left(\lambda_f^2-\lambda_f^{-4}\right) =\frac{n}{n_0}-\frac{M_T}{n_0M_A}. \]
Mit ungerundeten Zwischenwerten gilt
\[ \frac{M_T}{n_0M_A} =\frac{1.12}{(12.5)(28.9\times10^{-3})} =3.100346\ldots, \]
und daher
\[ \lambda_f^2-\lambda_f^{-4} =\frac{3.6-3.100346\ldots}{0.109624\ldots} =4.557886\ldots. \]
Die linke Seite wächst für \(\lambda_f\ge1\) streng monoton, da ihre Ableitung \(2\lambda_f+4\lambda_f^{-5}>0\) ist. Somit gibt es genau eine physikalisch zulässige Lösung:
\[ \lambda_f=2.145936\ldots. \]
Gleichung (2) liefert nun
\[ t_f= \left( \frac{M_T}{n_0M_A\lambda_f^3} \right)^{1/(\eta-1)} =0.773571\ldots. \]
Folglich gilt
\[ z_f=z_0(1-t_f) =(49\ \mathrm{km})(1-0.773571\ldots) =11.0950\ldots\ \mathrm{km}. \]
Auf zwei signifikante Stellen ergibt sich
\[ \boxed{\lambda_f=2.1,\qquad z_f=11\ \mathrm{km}}. \]
Die Endhöhe liegt innerhalb des angegebenen atmosphärischen Bereichs. Der Ballon hat außerdem zu Beginn einen positiven Nettoauftrieb: Auf Meereshöhe beträgt die von ihm verdrängte Luftmasse
\[ n_0M_A(1.5)^3=1.2192\ldots\ \mathrm{kg}>M_T. \]
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen.
IPhO 2004 · Teori sorusu 2
Yükselen Balon
Helyum gazıyla doldurulmuş kauçuk bir balon, basınç ve sıcaklığın yükseklikle azaldığı gökyüzünde yükseklere çıkar. Aşağıdaki sorularda, taşıdığı yük ne olursa olsun balonun küresel biçimini koruduğunu varsayın ve yükün hacmini ihmal edin. Ayrıca balonun içindeki helyum gazının sıcaklığının her zaman çevredeki havanın sıcaklığıyla aynı olduğunu varsayın ve tüm gazları ideal gaz olarak ele alın. Evrensel gaz sabiti \(R=8.31\ \mathrm{J/mol\cdot K}\), helyumun ve havanın molar kütleleri ise sırasıyla \(M_H=4.00\times10^{-3}\ \mathrm{kg/mol}\) ve \(M_A=28.9\times10^{-3}\ \mathrm{kg/mol}\)'dür. Yer çekimi ivmesi \(g=9.8\ \mathrm{m/s^2}\)'dir.
[Bölüm A ]
(a) [1.5 puan] Çevredeki havanın basıncı \(P\), sıcaklığı \(T\) olsun. Balonun yüzey gerilimi nedeniyle içindeki basınç, dışındaki basınçtan daha yüksektir. Balon \(n\) mol helyum gazı içermekte olup içindeki basınç \(P+\Delta P\)'dir. Balona etkiyen kaldırma kuvveti \(F_B\)'yi \(P\) ve \(\Delta P\)'nin bir fonksiyonu olarak bulun.
(b) [2 puan] Kore'de belirli bir yaz gününde, deniz seviyesinden \(z\) yüksekliğindeki hava sıcaklığı \(T\)'nin, \(0<z<15\ \mathrm{km}\) aralığında \(T(z)=T_0(1-z/z_0)\) olduğu belirlenmiştir; burada \(z_0=49\ \mathrm{km}\) ve \(T_0=303\ \mathrm{K}\)'dir. Deniz seviyesindeki basınç ve yoğunluk sırasıyla \(P_0=1.0\ \mathrm{atm}=1.01\times10^5\ \mathrm{Pa}\) ve \(\rho_0=1.16\ \mathrm{kg/m^3}\)'tür. Bu yükseklik aralığında basınç şu biçimdedir:
\[ P(z)=P_0(1-z/z_0)^\eta. \tag{2.1} \]
\(\eta\)'yı \(z_0\), \(\rho_0\), \(P_0\) ve \(g\) cinsinden ifade edin ve sayısal değerini iki anlamlı basamakla bulun. Yer çekimi ivmesini yükseklikten bağımsız bir sabit olarak alın.
[Bölüm B ]
Gerilmemiş yarıçapı \(r_0\) olan küresel bir kauçuk balon, yarıçapı \(r\) \((\ge r_0)\) olan bir küre hâline gelecek şekilde şişirildiğinde, balonun yüzeyinde gerilmeden kaynaklanan ek esneklik enerjisi depolanır. Basitleştirilmiş bir kuramda, sabit \(T\) sıcaklığındaki esneklik enerjisi
\[ U=4\pi r_0^2\kappa RT \left(2\lambda^2+\frac{1}{\lambda^4}-3\right) \tag{2.2} \]
ile ifade edilebilir; burada \(\lambda\equiv r/r_0\) \((\ge1)\) boyutça şişme oranı, \(\kappa\) ise birimi \(\mathrm{mol/m^2}\) olan bir sabittir.
(c) [2 puan] \(\Delta P\)'yi Denklem (2.2)'de verilen parametreler cinsinden ifade edin ve \(\Delta P\)'nin \(\lambda=r/r_0\)'a bağlı grafiğini kabaca çizin.
(d) [1.5 puan] \(\kappa\) sabiti, balonu şişirmek için gereken gaz miktarından belirlenebilir. \(T_0=303\ \mathrm{K}\) ve \(P_0=1.0\ \mathrm{atm}=1.01\times10^5\ \mathrm{Pa}\) koşullarında, gerilmemiş bir balon \((\lambda=1)\), \(n_0=12.5\) mol helyum içerir. Balonu aynı \(T_0\) ve \(P_0\) koşullarında \(\lambda=1.5\)'e kadar şişirmek için toplam \(n=3.6n_0=45\) mol gerekir. \(a=\kappa/\kappa_0\) olarak tanımlanan balon parametresi \(a\)'yı \(n\), \(n_0\) ve \(\lambda\) cinsinden ifade edin; burada \(\kappa_0\equiv r_0P_0/(4RT_0)\)'dır. \(a\)'nın değerini iki anlamlı basamakla hesaplayın.
[Bölüm C]
Deniz seviyesinde (d)'deki gibi bir balon hazırlanır (\(T_0=303\ \mathrm{K}\) ve \(P_0=1\ \mathrm{atm}=1.01\times10^5\ \mathrm{Pa}\) koşullarında \(n=3.6n_0=45\) mol helyum gazıyla \(\lambda=1.5\)'e kadar şişirilir). Gaz, balonun kendisi ve taşıdığı diğer yükler dâhil toplam kütle \(M_T=1.12\ \mathrm{kg}\)'dır. Şimdi balon deniz seviyesinden yükselmeye bırakılsın.
(e) [3 puan] Balonun sonunda kaldırma kuvvetinin toplam ağırlığı dengelediği \(z_f\) yüksekliğinde durduğunu varsayın. \(z_f\)'yi ve bu yükseklikteki şişme oranı \(\lambda_f\)'yi bulun. Cevapları iki anlamlı basamakla verin. Yukarı doğru uçuş sırasında sürüklenme etkisinin ve gaz sızıntısının olmadığını varsayın.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
-
(a) Yukarı yönlü kaldırma kuvveti \[ \boxed{F_B=nM_Ag\,\frac{P}{P+\Delta P}}. \]
-
(b) \[ \boxed{\eta=\frac{\rho_0gz_0}{P_0}=5.5}. \]
-
(c) \[ \boxed{\Delta P=\frac{4\kappa RT}{r_0} \left(\lambda^{-1}-\lambda^{-7}\right)}. \] Eğri \((1,0)\) noktasından başlar, tek maksimumuna \(\lambda=7^{1/6}\approx1.38\) değerinde ulaşır ve ardından pozitif taraftan sıfıra doğru azalır.
-
(d) \[ \boxed{a=\frac{n/n_0-\lambda^3}{\lambda^2-\lambda^{-4}}=0.11}. \]
-
(e) \[ \boxed{z_f=1.1\times10^4\ \mathrm{m}=11\ \mathrm{km}, \qquad \lambda_f=2.1}. \] Yuvarlanmamış sonuçlar \(z_f=11.095\ \mathrm{km}\) ve \(\lambda_f=2.14594\)'tür; bunun yerine yuvarlanmış \(\eta=5.5\) ve \(a=0.11\) değerleri kullanılırsa iki anlamlı basamakla aynı cevaplar elde edilir.
Çözüm
(a)
Arşimet ilkesine göre kaldırma kuvveti, yer değiştiren havanın ağırlığına eşittir. Çevredeki havanın yoğunluğu balonun boyutları boyunca sabit kabul edilirse,
\[ F_B=\rho_A Vg. \]
Çevredeki hava ve helyum için ideal gaz denklemleri
\[ \rho_A=\frac{PM_A}{RT}, \qquad V=\frac{nRT}{P+\Delta P}. \]
bağıntılarını verir. Dolayısıyla ortak sıcaklık sadeleşir:
\[ \boxed{F_B=nM_Ag\,\frac{P}{P+\Delta P}}. \]
Bu yalnızca kaldırma kuvvetidir. Helyumun, balon zarının ve yükün ağırlıkları toplam kuvvet dengesine ayrı ayrı girer.
(b)
Atmosfer hidrostatik dengededir:
\[ \frac{dP}{dz}=-\rho(z)g. \]
Bileşimi sabit olan ideal hava için,
\[ \frac{\rho(z)}{\rho_0} =\frac{P(z)}{P_0}\frac{T_0}{T(z)}. \]
Verilen sıcaklık ve basınç profilleri kullanıldığında,
\[ \rho(z)=\rho_0 \left(1-\frac{z}{z_0}\right)^{\eta-1}. \]
Denklem (2.1)'in türevi alınıp hidrostatik denklemde yerine konulduğunda
\[ -\frac{\eta P_0}{z_0} \left(1-\frac{z}{z_0}\right)^{\eta-1} = -\rho_0g \left(1-\frac{z}{z_0}\right)^{\eta-1}. \]
elde edilir. Dolayısıyla,
\[ \boxed{\eta=\frac{\rho_0gz_0}{P_0}}. \]
Sayısal olarak,
\[ \eta= \frac{(1.16)(9.8)(49\times10^3)} {1.01\times10^5} =5.51517\ldots, \]
böylece iki anlamlı basamakla,
\[ \boxed{\eta=5.5}. \]
(c)
Sabit sıcaklıkta gerçekleşen yarı statik bir genleşmede, iç ve dış basınç farkının yaptığı iş, modeldeki esneklik enerjisinin artışını sağlar:
\[ \Delta P\,dV=dU. \]
Balonun hacmi
\[ V=\frac{4\pi}{3}r_0^3\lambda^3, \qquad \frac{dV}{d\lambda}=4\pi r_0^3\lambda^2. \]
Denklem (2.2)'den,
\[ \left(\frac{\partial U}{\partial\lambda}\right)_T =16\pi r_0^2\kappa RT \left(\lambda-\lambda^{-5}\right). \]
Böylece
\[ \boxed{ \Delta P =\frac{(\partial U/\partial\lambda)_T}{dV/d\lambda} =\frac{4\kappa RT}{r_0} \left(\lambda^{-1}-\lambda^{-7}\right) }. \]
Grafiği belirtmek için basınç ölçeğini
\[ C=\frac{4\kappa RT}{r_0}. \]
olarak tanımlayalım. Bu durumda
\[ \frac{d\Delta P}{d\lambda} =C\lambda^{-8}(7-\lambda^6). \]
Eğrinin özellikleri şunlardır:
- Fiziksel tanım aralığı \(\lambda\ge1\)'dir ve \(\lambda=1\) iken \(\Delta P=0\)'dan başlar.
- Pozitif eğimle yükselerek şu değere ulaşır: \[ \lambda_{\max}=7^{1/6}=1.38309\ldots. \]
- Maksimum değeri \[ \Delta P_{\max} =C\frac{6}{7^{7/6}} \approx0.620\,C. \]
- Maksimumdan sonra pozitif kalıp monoton olarak azalır. Büyük şişme oranlarında, \[ \Delta P\sim\frac{C}{\lambda}\longrightarrow0^+, \] dolayısıyla yatay eksen bir asimptottur.
(d)
Şöyle tanımlayalım:
\[ V_0=\frac{4\pi}{3}r_0^3. \]
\(\lambda=1\) iken (c) kısmı \(\Delta P=0\) verir. Bu nedenle gerilmemiş balon
\[ P_0V_0=n_0RT_0. \]
bağıntısını sağlar.
\[ a=\frac{\kappa}{\kappa_0} =\frac{4\kappa RT_0}{r_0P_0}, \]
olduğundan, \(T_0\) sıcaklığında iç ve dış basınç farkı
\[ \frac{\Delta P}{P_0} =a\left(\lambda^{-1}-\lambda^{-7}\right). \]
Şişirilmiş balon
\[ (P_0+\Delta P)V_0\lambda^3=nRT_0. \]
bağıntısını sağlar. \(P_0V_0=n_0RT_0\)'a bölündüğünde,
\[ \frac{n}{n_0} =\lambda^3\left[ 1+a\left(\lambda^{-1}-\lambda^{-7}\right) \right] =\lambda^3+a\left(\lambda^2-\lambda^{-4}\right). \]
Dolayısıyla,
\[ \boxed{ a=\frac{n/n_0-\lambda^3}{\lambda^2-\lambda^{-4}} }. \]
Değerler yerine konulduğunda
\[ a=\frac{3.6-1.5^3}{1.5^2-1.5^{-4}} =0.109624\ldots, \]
ve dolayısıyla
\[ \boxed{a=0.11}. \]
(e)
Boyutsuz sıcaklığı tanımlayalım:
\[ t=\frac{T}{T_0}=1-\frac{z}{z_0}. \]
Bu durumda
\[ P=P_0t^\eta, \qquad \Delta P=aP_0t \left(\lambda^{-1}-\lambda^{-7}\right). \]
Helyum sızıntısı olmadığından \(n\) sabit kalır. Helyumun ideal gaz denklemi
\[ \left[ P_0t^\eta+aP_0t \left(\lambda^{-1}-\lambda^{-7}\right) \right]V_0\lambda^3 =nRT_0t. \]
\(P_0V_0=n_0RT_0\) kullanılıp \(t\)'ye bölündüğünde,
\[ \frac{n}{n_0} =t^{\eta-1}\lambda^3 +a\left(\lambda^2-\lambda^{-4}\right). \tag{1} \]
Yer değiştiren havanın kütlesi, ideal gaz yoğunluğundan bulunur:
\[ \rho_A V =\frac{M_AP}{RT}V_0\lambda^3 =n_0M_A\,t^{\eta-1}\lambda^3. \]
Son yükseklikte kaldırma kuvveti toplam ağırlığı dengeler:
\[ n_0M_Ag\,t_f^{\eta-1}\lambda_f^3=M_Tg, \]
böylece
\[ t_f^{\eta-1}\lambda_f^3 =\frac{M_T}{n_0M_A}. \tag{2} \]
Helyumun ağırlığı zaten \(M_Tg\)'ye dâhildir.
(1) ve (2) arasındaki atmosferik çarpan yok edilince, yalnızca son şişme oranı için bir denklem elde edilir:
\[ a\left(\lambda_f^2-\lambda_f^{-4}\right) =\frac{n}{n_0}-\frac{M_T}{n_0M_A}. \]
Ara değerler yuvarlanmadan korunursa,
\[ \frac{M_T}{n_0M_A} =\frac{1.12}{(12.5)(28.9\times10^{-3})} =3.100346\ldots, \]
ve dolayısıyla
\[ \lambda_f^2-\lambda_f^{-4} =\frac{3.6-3.100346\ldots}{0.109624\ldots} =4.557886\ldots. \]
Sol taraf \(\lambda_f\ge1\) için kesin olarak artandır; çünkü türevi \(2\lambda_f+4\lambda_f^{-5}>0\)'dır. Dolayısıyla tek bir fiziksel kök vardır:
\[ \lambda_f=2.145936\ldots. \]
Denklem (2) şimdi
\[ t_f= \left( \frac{M_T}{n_0M_A\lambda_f^3} \right)^{1/(\eta-1)} =0.773571\ldots. \]
sonucunu verir. Dolayısıyla,
\[ z_f=z_0(1-t_f) =(49\ \mathrm{km})(1-0.773571\ldots) =11.0950\ldots\ \mathrm{km}. \]
İki anlamlı basamakla,
\[ \boxed{\lambda_f=2.1,\qquad z_f=11\ \mathrm{km}}. \]
Son yükseklik, belirtilen atmosfer aralığının içindedir. Balonun başlangıçta net kaldırma kuvveti de pozitiftir: deniz seviyesinde yer değiştirdiği havanın kütlesi
\[ n_0M_A(1.5)^3=1.2192\ldots\ \mathrm{kg}>M_T. \]
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IPhO 2004 · Problema teórico 2
Globo ascendente
Un globo de goma lleno de helio asciende hasta gran altura en el cielo, donde la presión y la temperatura disminuyen con la altura. En las siguientes preguntas, suponga que el globo mantiene su forma esférica independientemente de la carga útil y desprecie el volumen de esta. Suponga también que la temperatura del helio en el interior del globo es siempre la misma que la del aire ambiente y trate todos los gases como gases ideales. La constante universal de los gases es \(R=8.31\ \mathrm{J/mol\cdot K}\) y las masas molares del helio y del aire son \(M_H=4.00\times10^{-3}\ \mathrm{kg/mol}\) y \(M_A=28.9\times10^{-3}\ \mathrm{kg/mol}\), respectivamente. La aceleración de la gravedad es \(g=9.8\ \mathrm{m/s^2}\).
[Parte A ]
(a) [1.5 puntos] Sean \(P\) la presión del aire ambiente y \(T\) su temperatura. La presión en el interior del globo es mayor que la exterior debido a la tensión superficial del globo. El globo contiene \(n\) moles de helio y la presión en su interior es \(P+\Delta P\). Halle la fuerza de empuje \(F_B\) que actúa sobre el globo en función de \(P\) y \(\Delta P\).
(b) [2 puntos] En un determinado día de verano en Corea, se observó que la temperatura del aire \(T\) a una altura \(z\) sobre el nivel del mar era \(T(z)=T_0(1-z/z_0)\) en el intervalo \(0<z<15\ \mathrm{km}\), con \(z_0=49\ \mathrm{km}\) y \(T_0=303\ \mathrm{K}\). La presión y la densidad al nivel del mar eran \(P_0=1.0\ \mathrm{atm}=1.01\times10^5\ \mathrm{Pa}\) y \(\rho_0=1.16\ \mathrm{kg/m^3}\), respectivamente. Para este intervalo de alturas, la presión tiene la forma
\[ P(z)=P_0(1-z/z_0)^\eta. \tag{2.1} \]
Exprese \(\eta\) en términos de \(z_0\), \(\rho_0\), \(P_0\) y \(g\), y halle su valor numérico con dos cifras significativas. Considere que la aceleración de la gravedad es constante e independiente de la altura.
[Parte B ]
Cuando un globo de goma de forma esférica, cuyo radio sin estirar es \(r_0\), se infla hasta formar una esfera de radio \(r\) \((\ge r_0)\), la superficie del globo almacena energía elástica adicional debido al estiramiento. En una teoría simplificada, la energía elástica a temperatura constante \(T\) se puede expresar como
\[ U=4\pi r_0^2\kappa RT \left(2\lambda^2+\frac{1}{\lambda^4}-3\right) \tag{2.2} \]
donde \(\lambda\equiv r/r_0\) \((\ge1)\) es la razón de inflado y \(\kappa\) es una constante cuyas unidades son \(\mathrm{mol/m^2}\).
(c) [2 puntos] Exprese \(\Delta P\) en términos de los parámetros dados en la ec. (2.2) y esboce la gráfica de \(\Delta P\) en función de \(\lambda=r/r_0\).
(d) [1.5 puntos] La constante \(\kappa\) se puede determinar a partir de la cantidad de gas necesaria para inflar el globo. A \(T_0=303\ \mathrm{K}\) y \(P_0=1.0\ \mathrm{atm}=1.01\times10^5\ \mathrm{Pa}\), un globo sin estirar \((\lambda=1)\) contiene \(n_0=12.5\) moles de helio. Se necesitan \(n=3.6n_0=45\) moles en total para inflar el globo hasta \(\lambda=1.5\) a los mismos valores de \(T_0\) y \(P_0\). Exprese el parámetro del globo \(a\), definido como \(a=\kappa/\kappa_0\), en términos de \(n\), \(n_0\) y \(\lambda\), donde \(\kappa_0\equiv r_0P_0/(4RT_0)\). Calcule \(a\) con dos cifras significativas.
[Parte C]
Se prepara un globo como en (d) al nivel del mar (inflado hasta \(\lambda=1.5\) con \(n=3.6n_0=45\) moles de helio a \(T_0=303\ \mathrm{K}\) y \(P_0=1\ \mathrm{atm}=1.01\times10^5\ \mathrm{Pa}\)). La masa total, que incluye el gas, el propio globo y las demás cargas útiles, es \(M_T=1.12\ \mathrm{kg}\). Ahora se deja que el globo ascienda desde el nivel del mar.
(e) [3 puntos] Suponga que el globo acaba deteniéndose a la altura \(z_f\), donde la fuerza de empuje equilibra el peso total. Halle \(z_f\) y la razón de inflado \(\lambda_f\) a esa altura. Dé las respuestas con dos cifras significativas. Suponga que no hay efectos de deriva ni fugas de gas durante el ascenso.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
-
(a) La fuerza de empuje hacia arriba es \[ \boxed{F_B=nM_Ag\,\frac{P}{P+\Delta P}}. \]
-
(b) \[ \boxed{\eta=\frac{\rho_0gz_0}{P_0}=5.5}. \]
-
(c) \[ \boxed{\Delta P=\frac{4\kappa RT}{r_0} \left(\lambda^{-1}-\lambda^{-7}\right)}. \] La curva parte de \((1,0)\), alcanza su único máximo en \(\lambda=7^{1/6}\approx1.38\) y luego decrece hacia cero manteniéndose positiva.
-
(d) \[ \boxed{a=\frac{n/n_0-\lambda^3}{\lambda^2-\lambda^{-4}}=0.11}. \]
-
(e) \[ \boxed{z_f=1.1\times10^4\ \mathrm{m}=11\ \mathrm{km}, \qquad \lambda_f=2.1}. \] Los resultados sin redondear son \(z_f=11.095\ \mathrm{km}\) y \(\lambda_f=2.14594\); si se usan en su lugar los valores redondeados \(\eta=5.5\) y \(a=0.11\), se obtienen las mismas respuestas con dos cifras significativas.
Solución
(a)
Según el principio de Arquímedes, la fuerza de empuje es igual al peso del aire desplazado. Considerando que la densidad del aire ambiente es uniforme a escala de las dimensiones del globo,
\[ F_B=\rho_A Vg. \]
Las ecuaciones de los gases ideales para el aire circundante y el helio dan
\[ \rho_A=\frac{PM_A}{RT}, \qquad V=\frac{nRT}{P+\Delta P}. \]
Por tanto, la temperatura común se cancela:
\[ \boxed{F_B=nM_Ag\,\frac{P}{P+\Delta P}}. \]
Esta es únicamente la fuerza de empuje. Los pesos del helio, de la envoltura y de la carga útil intervienen por separado en el balance total de fuerzas.
(b)
La atmósfera se encuentra en equilibrio hidrostático:
\[ \frac{dP}{dz}=-\rho(z)g. \]
Para aire ideal de composición constante,
\[ \frac{\rho(z)}{\rho_0} =\frac{P(z)}{P_0}\frac{T_0}{T(z)}. \]
Usando los perfiles de temperatura y presión dados,
\[ \rho(z)=\rho_0 \left(1-\frac{z}{z_0}\right)^{\eta-1}. \]
Al derivar la ec. (2.1) y sustituir en la ecuación hidrostática se obtiene
\[ -\frac{\eta P_0}{z_0} \left(1-\frac{z}{z_0}\right)^{\eta-1} = -\rho_0g \left(1-\frac{z}{z_0}\right)^{\eta-1}. \]
En consecuencia,
\[ \boxed{\eta=\frac{\rho_0gz_0}{P_0}}. \]
Numéricamente,
\[ \eta= \frac{(1.16)(9.8)(49\times10^3)} {1.01\times10^5} =5.51517\ldots, \]
por lo que, con dos cifras significativas,
\[ \boxed{\eta=5.5}. \]
(c)
En una expansión cuasiestática a temperatura constante, el trabajo realizado por la sobrepresión interna proporciona el incremento de la energía elástica descrita por el modelo:
\[ \Delta P\,dV=dU. \]
El volumen del globo es
\[ V=\frac{4\pi}{3}r_0^3\lambda^3, \qquad \frac{dV}{d\lambda}=4\pi r_0^3\lambda^2. \]
A partir de la ec. (2.2),
\[ \left(\frac{\partial U}{\partial\lambda}\right)_T =16\pi r_0^2\kappa RT \left(\lambda-\lambda^{-5}\right). \]
Así,
\[ \boxed{ \Delta P =\frac{(\partial U/\partial\lambda)_T}{dV/d\lambda} =\frac{4\kappa RT}{r_0} \left(\lambda^{-1}-\lambda^{-7}\right) }. \]
Para precisar el esbozo de la gráfica, definimos la escala de presión
\[ C=\frac{4\kappa RT}{r_0}. \]
Entonces,
\[ \frac{d\Delta P}{d\lambda} =C\lambda^{-8}(7-\lambda^6). \]
La curva presenta las siguientes características:
- Su dominio físico es \(\lambda\ge1\) y parte de \(\Delta P=0\) cuando \(\lambda=1\).
- Crece con pendiente positiva hasta \[ \lambda_{\max}=7^{1/6}=1.38309\ldots. \]
- Su valor máximo es \[ \Delta P_{\max} =C\frac{6}{7^{7/6}} \approx0.620\,C. \]
- Tras el máximo, decrece monótonamente y se mantiene positiva. Para un inflado grande, \[ \Delta P\sim\frac{C}{\lambda}\longrightarrow0^+, \] por lo que el eje horizontal es una asíntota.
(d)
Sea
\[ V_0=\frac{4\pi}{3}r_0^3. \]
Para \(\lambda=1\), el apartado (c) da \(\Delta P=0\). Por tanto, el globo sin estirar satisface
\[ P_0V_0=n_0RT_0. \]
Como
\[ a=\frac{\kappa}{\kappa_0} =\frac{4\kappa RT_0}{r_0P_0}, \]
la sobrepresión a temperatura \(T_0\) es
\[ \frac{\Delta P}{P_0} =a\left(\lambda^{-1}-\lambda^{-7}\right). \]
El globo inflado satisface
\[ (P_0+\Delta P)V_0\lambda^3=nRT_0. \]
Dividiendo por \(P_0V_0=n_0RT_0\),
\[ \frac{n}{n_0} =\lambda^3\left[ 1+a\left(\lambda^{-1}-\lambda^{-7}\right) \right] =\lambda^3+a\left(\lambda^2-\lambda^{-4}\right). \]
Por tanto,
\[ \boxed{ a=\frac{n/n_0-\lambda^3}{\lambda^2-\lambda^{-4}} }. \]
Al sustituir se obtiene
\[ a=\frac{3.6-1.5^3}{1.5^2-1.5^{-4}} =0.109624\ldots, \]
y, por consiguiente,
\[ \boxed{a=0.11}. \]
(e)
Definimos la temperatura adimensional
\[ t=\frac{T}{T_0}=1-\frac{z}{z_0}. \]
Entonces,
\[ P=P_0t^\eta, \qquad \Delta P=aP_0t \left(\lambda^{-1}-\lambda^{-7}\right). \]
Como no se escapa helio, \(n\) permanece constante. Su ecuación de gas ideal es
\[ \left[ P_0t^\eta+aP_0t \left(\lambda^{-1}-\lambda^{-7}\right) \right]V_0\lambda^3 =nRT_0t. \]
Usando \(P_0V_0=n_0RT_0\) y dividiendo por \(t\),
\[ \frac{n}{n_0} =t^{\eta-1}\lambda^3 +a\left(\lambda^2-\lambda^{-4}\right). \tag{1} \]
La masa de aire desplazada se obtiene a partir de su densidad como gas ideal:
\[ \rho_A V =\frac{M_AP}{RT}V_0\lambda^3 =n_0M_A\,t^{\eta-1}\lambda^3. \]
A la altura final, el empuje equilibra el peso total:
\[ n_0M_Ag\,t_f^{\eta-1}\lambda_f^3=M_Tg, \]
de modo que
\[ t_f^{\eta-1}\lambda_f^3 =\frac{M_T}{n_0M_A}. \tag{2} \]
El peso del helio ya está incluido en \(M_Tg\).
Al eliminar el factor atmosférico entre (1) y (2), se obtiene una ecuación que depende únicamente de la razón de inflado final:
\[ a\left(\lambda_f^2-\lambda_f^{-4}\right) =\frac{n}{n_0}-\frac{M_T}{n_0M_A}. \]
Conservando los valores intermedios sin redondear,
\[ \frac{M_T}{n_0M_A} =\frac{1.12}{(12.5)(28.9\times10^{-3})} =3.100346\ldots, \]
y, por tanto,
\[ \lambda_f^2-\lambda_f^{-4} =\frac{3.6-3.100346\ldots}{0.109624\ldots} =4.557886\ldots. \]
El miembro izquierdo es estrictamente creciente para \(\lambda_f\ge1\), porque su derivada es \(2\lambda_f+4\lambda_f^{-5}>0\). Por tanto, existe una única raíz física:
\[ \lambda_f=2.145936\ldots. \]
La ecuación (2) da ahora
\[ t_f= \left( \frac{M_T}{n_0M_A\lambda_f^3} \right)^{1/(\eta-1)} =0.773571\ldots. \]
En consecuencia,
\[ z_f=z_0(1-t_f) =(49\ \mathrm{km})(1-0.773571\ldots) =11.0950\ldots\ \mathrm{km}. \]
Con dos cifras significativas,
\[ \boxed{\lambda_f=2.1,\qquad z_f=11\ \mathrm{km}}. \]
La altura final se encuentra dentro del intervalo atmosférico especificado. El globo también tiene una fuerza ascensional neta inicial positiva: al nivel del mar, la masa de aire que desplaza es
\[ n_0M_A(1.5)^3=1.2192\ldots\ \mathrm{kg}>M_T. \]
La solución se comprobó con la solución oficial.
IPhO 2004 · 理论题 2
上升的气球
一个充满氦气的橡胶气球升向高空,那里的气压和温度随高度增加而降低。在以下各问中,假设无论载荷如何,气球始终保持球形,并忽略载荷的体积。还假设气球内氦气的温度始终与周围空气的温度相同,并将所有气体视为理想气体。普适气体常量为 \(R=8.31\ \mathrm{J/mol\cdot K}\),氦气和空气的摩尔质量分别为 \(M_H=4.00\times10^{-3}\ \mathrm{kg/mol}\) 和 \(M_A=28.9\times10^{-3}\ \mathrm{kg/mol}\)。重力加速度为 \(g=9.8\ \mathrm{m/s^2}\)。
[部分 A ]
(a) [1.5 分] 设周围空气的压强为 \(P\),温度为 \(T\)。由于气球的表面张力,气球内部的压强高于外部压强。气球内装有 \(n\) 摩尔氦气,内部压强为 \(P+\Delta P\)。求气球所受浮力 \(F_B\) 关于 \(P\) 和 \(\Delta P\) 的表达式。
(b) [2 分] 在韩国某个夏日,测得海拔高度 \(z\) 处的空气温度 \(T\) 在 \(0<z<15\ \mathrm{km}\) 范围内满足 \(T(z)=T_0(1-z/z_0)\),其中 \(z_0=49\ \mathrm{km}\),\(T_0=303\ \mathrm{K}\)。海平面处的压强和密度分别为 \(P_0=1.0\ \mathrm{atm}=1.01\times10^5\ \mathrm{Pa}\) 和 \(\rho_0=1.16\ \mathrm{kg/m^3}\)。在这一高度范围内,压强具有如下形式:
\[ P(z)=P_0(1-z/z_0)^\eta. \tag{2.1} \]
用 \(z_0\)、\(\rho_0\)、\(P_0\) 和 \(g\) 表示 \(\eta\),并求其数值,保留两位有效数字。将重力加速度视为与高度无关的常量。
[部分 B ]
当一个未拉伸时半径为 \(r_0\) 的球形橡胶气球被充气至半径为 \(r\) \((\ge r_0)\) 的球体时,气球表面因拉伸而具有额外的弹性势能。在一种简化理论中,恒定温度 \(T\) 下的弹性势能可表示为
\[ U=4\pi r_0^2\kappa RT \left(2\lambda^2+\frac{1}{\lambda^4}-3\right) \tag{2.2} \]
其中 \(\lambda\equiv r/r_0\) \((\ge1)\) 为尺寸膨胀比,\(\kappa\) 为常量,单位为 \(\mathrm{mol/m^2}\)。
(c) [2 分] 用式 (2.2) 中给出的参数表示 \(\Delta P\),并画出 \(\Delta P\) 随 \(\lambda=r/r_0\) 变化的示意图。
(d) [1.5 分] 常量 \(\kappa\) 可由气球充气所需的气体量确定。在 \(T_0=303\ \mathrm{K}\)、\(P_0=1.0\ \mathrm{atm}=1.01\times10^5\ \mathrm{Pa}\) 时,一个未拉伸的气球 \((\lambda=1)\) 内装有 \(n_0=12.5\) 摩尔氦气。在相同的 \(T_0\) 和 \(P_0\) 下,将气球充气至 \(\lambda=1.5\) 共需 \(n=3.6n_0=45\) 摩尔氦气。气球参数 \(a\) 定义为 \(a=\kappa/\kappa_0\),其中 \(\kappa_0\equiv r_0P_0/(4RT_0)\)。用 \(n\)、\(n_0\) 和 \(\lambda\) 表示 \(a\)。计算 \(a\) 的值,保留两位有效数字。
[部分 C]
在海平面处按照 (d) 中的方法准备一个气球(在 \(T_0=303\ \mathrm{K}\)、\(P_0=1\ \mathrm{atm}=1.01\times10^5\ \mathrm{Pa}\) 下充入 \(n=3.6n_0=45\) 摩尔氦气,使其膨胀至 \(\lambda=1.5\))。包括气体、气球本身及其他载荷在内的总质量为 \(M_T=1.12\ \mathrm{kg}\)。现在让气球从海平面开始上升。
(e) [3 分] 假设气球最终停在高度 \(z_f\) 处,此处的浮力与总重力平衡。求 \(z_f\) 以及该高度处的膨胀比 \(\lambda_f\)。答案保留两位有效数字。假设上升过程中不存在漂移效应,也没有气体泄漏。
题目译自官方英文原文。
答案
-
(a) 向上的浮力为 \[ \boxed{F_B=nM_Ag\,\frac{P}{P+\Delta P}}. \]
-
(b) \[ \boxed{\eta=\frac{\rho_0gz_0}{P_0}=5.5}. \]
-
(c) \[ \boxed{\Delta P=\frac{4\kappa RT}{r_0} \left(\lambda^{-1}-\lambda^{-7}\right)}. \] 曲线从 \((1,0)\) 出发,在 \(\lambda=7^{1/6}\approx1.38\) 处达到唯一的极大值,随后从正值一侧趋近于零。
-
(d) \[ \boxed{a=\frac{n/n_0-\lambda^3}{\lambda^2-\lambda^{-4}}=0.11}. \]
-
(e) \[ \boxed{z_f=1.1\times10^4\ \mathrm{m}=11\ \mathrm{km}, \qquad \lambda_f=2.1}. \] 未按所要求的有效数字舍入的结果为 \(z_f=11.095\ \mathrm{km}\) 和 \(\lambda_f=2.14594\);若改用舍入后的 \(\eta=5.5\) 和 \(a=0.11\),保留两位有效数字的答案不变。
解答
(a)
根据阿基米德原理,浮力等于所排开空气的重力。将气球所占空间内的周围空气密度视为均匀,有
\[ F_B=\rho_A Vg. \]
由周围空气和氦气的理想气体状态方程可得
\[ \rho_A=\frac{PM_A}{RT}, \qquad V=\frac{nRT}{P+\Delta P}. \]
因此,两者共同的温度约去,得到
\[ \boxed{F_B=nM_Ag\,\frac{P}{P+\Delta P}}. \]
这仅是浮力。氦气、球皮和载荷的重力需在总受力平衡中另行计入。
(b)
大气处于流体静力平衡:
\[ \frac{dP}{dz}=-\rho(z)g. \]
对于组分不变的理想空气,
\[ \frac{\rho(z)}{\rho_0} =\frac{P(z)}{P_0}\frac{T_0}{T(z)}. \]
利用给定的温度和压强随高度的分布,得到
\[ \rho(z)=\rho_0 \left(1-\frac{z}{z_0}\right)^{\eta-1}. \]
对式 (2.1) 求导,并代入流体静力平衡方程,得到
\[ -\frac{\eta P_0}{z_0} \left(1-\frac{z}{z_0}\right)^{\eta-1} = -\rho_0g \left(1-\frac{z}{z_0}\right)^{\eta-1}. \]
因此,
\[ \boxed{\eta=\frac{\rho_0gz_0}{P_0}}. \]
代入数值得
\[ \eta= \frac{(1.16)(9.8)(49\times10^3)} {1.01\times10^5} =5.51517\ldots, \]
所以,保留两位有效数字,
\[ \boxed{\eta=5.5}. \]
(c)
在恒温的准静态膨胀过程中,内部超压所做的功用于增加模型中的弹性势能:
\[ \Delta P\,dV=dU. \]
气球的体积为
\[ V=\frac{4\pi}{3}r_0^3\lambda^3, \qquad \frac{dV}{d\lambda}=4\pi r_0^3\lambda^2. \]
由式 (2.2),
\[ \left(\frac{\partial U}{\partial\lambda}\right)_T =16\pi r_0^2\kappa RT \left(\lambda-\lambda^{-5}\right). \]
于是
\[ \boxed{ \Delta P =\frac{(\partial U/\partial\lambda)_T}{dV/d\lambda} =\frac{4\kappa RT}{r_0} \left(\lambda^{-1}-\lambda^{-7}\right) }. \]
为明确示意图的形状,定义压强尺度
\[ C=\frac{4\kappa RT}{r_0}. \]
则
\[ \frac{d\Delta P}{d\lambda} =C\lambda^{-8}(7-\lambda^6). \]
曲线具有以下特征:
- 其物理定义域为 \(\lambda\ge1\),并从 \(\lambda=1\) 时的 \(\Delta P=0\) 处出发。
- 曲线以正斜率上升,直至 \[ \lambda_{\max}=7^{1/6}=1.38309\ldots. \]
- 其最大值为 \[ \Delta P_{\max} =C\frac{6}{7^{7/6}} \approx0.620\,C. \]
- 越过最大值后,曲线单调下降,并保持为正。在膨胀比很大时, \[ \Delta P\sim\frac{C}{\lambda}\longrightarrow0^+, \] 因而横轴是其渐近线。
(d)
令
\[ V_0=\frac{4\pi}{3}r_0^3. \]
在 \(\lambda=1\) 时,由 (c) 可知 \(\Delta P=0\)。因此,未拉伸的气球满足
\[ P_0V_0=n_0RT_0. \]
由于
\[ a=\frac{\kappa}{\kappa_0} =\frac{4\kappa RT_0}{r_0P_0}, \]
温度为 \(T_0\) 时的超压为
\[ \frac{\Delta P}{P_0} =a\left(\lambda^{-1}-\lambda^{-7}\right). \]
充气膨胀后的气球满足
\[ (P_0+\Delta P)V_0\lambda^3=nRT_0. \]
除以 \(P_0V_0=n_0RT_0\),得
\[ \frac{n}{n_0} =\lambda^3\left[ 1+a\left(\lambda^{-1}-\lambda^{-7}\right) \right] =\lambda^3+a\left(\lambda^2-\lambda^{-4}\right). \]
因此,
\[ \boxed{ a=\frac{n/n_0-\lambda^3}{\lambda^2-\lambda^{-4}} }. \]
代入数值得
\[ a=\frac{3.6-1.5^3}{1.5^2-1.5^{-4}} =0.109624\ldots, \]
从而
\[ \boxed{a=0.11}. \]
(e)
定义无量纲温度
\[ t=\frac{T}{T_0}=1-\frac{z}{z_0}. \]
则
\[ P=P_0t^\eta, \qquad \Delta P=aP_0t \left(\lambda^{-1}-\lambda^{-7}\right). \]
由于没有氦气逸出,\(n\) 保持不变。氦气的理想气体状态方程为
\[ \left[ P_0t^\eta+aP_0t \left(\lambda^{-1}-\lambda^{-7}\right) \right]V_0\lambda^3 =nRT_0t. \]
利用 \(P_0V_0=n_0RT_0\),并除以 \(t\),得到
\[ \frac{n}{n_0} =t^{\eta-1}\lambda^3 +a\left(\lambda^2-\lambda^{-4}\right). \tag{1} \]
由空气的理想气体密度表达式可得排开空气的质量:
\[ \rho_A V =\frac{M_AP}{RT}V_0\lambda^3 =n_0M_A\,t^{\eta-1}\lambda^3. \]
在最终高度处,浮力与总重力平衡:
\[ n_0M_Ag\,t_f^{\eta-1}\lambda_f^3=M_Tg, \]
所以
\[ t_f^{\eta-1}\lambda_f^3 =\frac{M_T}{n_0M_A}. \tag{2} \]
氦气的重力已经包含在 \(M_Tg\) 中。
在式 (1) 和式 (2) 之间消去与大气有关的因子,得到仅含最终膨胀比的方程:
\[ a\left(\lambda_f^2-\lambda_f^{-4}\right) =\frac{n}{n_0}-\frac{M_T}{n_0M_A}. \]
保留未经舍入的中间数值,
\[ \frac{M_T}{n_0M_A} =\frac{1.12}{(12.5)(28.9\times10^{-3})} =3.100346\ldots, \]
因此
\[ \lambda_f^2-\lambda_f^{-4} =\frac{3.6-3.100346\ldots}{0.109624\ldots} =4.557886\ldots. \]
左侧在 \(\lambda_f\ge1\) 时严格递增,因为其导数为 \(2\lambda_f+4\lambda_f^{-5}>0\)。因此,存在唯一的物理解:
\[ \lambda_f=2.145936\ldots. \]
由式 (2) 可得
\[ t_f= \left( \frac{M_T}{n_0M_A\lambda_f^3} \right)^{1/(\eta-1)} =0.773571\ldots. \]
因此,
\[ z_f=z_0(1-t_f) =(49\ \mathrm{km})(1-0.773571\ldots) =11.0950\ldots\ \mathrm{km}. \]
保留两位有效数字,
\[ \boxed{\lambda_f=2.1,\qquad z_f=11\ \mathrm{km}}. \]
最终高度位于题目给定的大气高度范围内。气球初始时的净升力也为正:在海平面处,它所排开空气的质量为
\[ n_0M_A(1.5)^3=1.2192\ldots\ \mathrm{kg}>M_T. \]
解答已与官方解答核对。
IPhO 2004 · Теоретическая задача 2
Поднимающийся воздушный шар
Резиновый воздушный шар, наполненный гелием, поднимается высоко в небо, где давление и температура уменьшаются с высотой. В следующих вопросах считайте, что шар сохраняет сферическую форму независимо от полезной нагрузки, и пренебрегайте объёмом полезной нагрузки. Также считайте, что температура гелия внутри шара всегда равна температуре окружающего воздуха, а все газы являются идеальными. Универсальная газовая постоянная равна \(R=8.31\ \mathrm{J/mol\cdot K}\), а молярные массы гелия и воздуха равны соответственно \(M_H=4.00\times10^{-3}\ \mathrm{kg/mol}\) и \(M_A=28.9\times10^{-3}\ \mathrm{kg/mol}\). Ускорение свободного падения равно \(g=9.8\ \mathrm{m/s^2}\).
[Часть A ]
(a) [1.5 балла] Пусть давление окружающего воздуха равно \(P\), а температура — \(T\). Из-за поверхностного натяжения оболочки давление внутри шара выше наружного. Шар содержит \(n\) молей гелия, а давление внутри него равно \(P+\Delta P\). Найдите действующую на шар выталкивающую силу \(F_B\) как функцию \(P\) и \(\Delta P\).
(b) [2 балла] В один из летних дней в Корее было установлено, что температура воздуха \(T\) на высоте \(z\) над уровнем моря описывается зависимостью \(T(z)=T_0(1-z/z_0)\) в диапазоне \(0<z<15\ \mathrm{km}\), где \(z_0=49\ \mathrm{km}\) и \(T_0=303\ \mathrm{K}\). Давление и плотность на уровне моря составляли соответственно \(P_0=1.0\ \mathrm{atm}=1.01\times10^5\ \mathrm{Pa}\) и \(\rho_0=1.16\ \mathrm{kg/m^3}\). В этом диапазоне высот давление имеет вид
\[ P(z)=P_0(1-z/z_0)^\eta. \tag{2.1} \]
Выразите \(\eta\) через \(z_0\), \(\rho_0\), \(P_0\) и \(g\) и найдите его численное значение с двумя значащими цифрами. Считайте ускорение свободного падения постоянным, не зависящим от высоты.
[Часть B ]
Когда резиновый шар сферической формы с радиусом \(r_0\) в нерастянутом состоянии надувают до радиуса \(r\) \((\ge r_0)\), его оболочка приобретает дополнительную упругую энергию вследствие растяжения. В упрощённой теории упругая энергия при постоянной температуре \(T\) может быть выражена как
\[ U=4\pi r_0^2\kappa RT \left(2\lambda^2+\frac{1}{\lambda^4}-3\right) \tag{2.2} \]
где \(\lambda\equiv r/r_0\) \((\ge1)\) — коэффициент увеличения радиуса при надувании, а \(\kappa\) — постоянная, измеряемая в \(\mathrm{mol/m^2}\).
(c) [2 балла] Выразите \(\Delta P\) через параметры, приведённые в уравнении (2.2), и изобразите эскиз графика зависимости \(\Delta P\) от \(\lambda=r/r_0\).
(d) [1.5 балла] Постоянную \(\kappa\) можно определить по количеству газа, необходимому для надувания шара. При \(T_0=303\ \mathrm{K}\) и \(P_0=1.0\ \mathrm{atm}=1.01\times10^5\ \mathrm{Pa}\) нерастянутый шар \((\lambda=1)\) содержит \(n_0=12.5\) молей гелия. Чтобы надуть шар до \(\lambda=1.5\) при тех же \(T_0\) и \(P_0\), требуется в общей сложности \(n=3.6n_0=45\) молей. Выразите параметр шара \(a\), определяемый как \(a=\kappa/\kappa_0\), через \(n\), \(n_0\) и \(\lambda\), где \(\kappa_0\equiv r_0P_0/(4RT_0)\). Вычислите \(a\) с двумя значащими цифрами.
[Часть C]
На уровне моря шар подготавливают так же, как в пункте (d) (надувают до \(\lambda=1.5\), заполнив его \(n=3.6n_0=45\) молями гелия при \(T_0=303\ \mathrm{K}\) и \(P_0=1\ \mathrm{atm}=1.01\times10^5\ \mathrm{Pa}\)). Полная масса, включающая газ, сам шар и всю полезную нагрузку, равна \(M_T=1.12\ \mathrm{kg}\). Теперь шар отпускают, и он поднимается с уровня моря.
(e) [3 балла] Предположим, что шар в конце концов останавливается на высоте \(z_f\), где выталкивающая сила уравновешивает полную силу тяжести. Найдите \(z_f\) и коэффициент увеличения радиуса \(\lambda_f\) на этой высоте. Приведите ответы с двумя значащими цифрами. Считайте, что при подъёме отсутствуют снос шара и утечка газа.
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
-
(a) Направленная вверх выталкивающая сила равна \[ \boxed{F_B=nM_Ag\,\frac{P}{P+\Delta P}}. \]
-
(b) \[ \boxed{\eta=\frac{\rho_0gz_0}{P_0}=5.5}. \]
-
(c) \[ \boxed{\Delta P=\frac{4\kappa RT}{r_0} \left(\lambda^{-1}-\lambda^{-7}\right)}. \] Кривая начинается в точке \((1,0)\), достигает единственного максимума при \(\lambda=7^{1/6}\approx1.38\), а затем убывает, приближаясь к нулю сверху.
-
(d) \[ \boxed{a=\frac{n/n_0-\lambda^3}{\lambda^2-\lambda^{-4}}=0.11}. \]
-
(e) \[ \boxed{z_f=1.1\times10^4\ \mathrm{m}=11\ \mathrm{km}, \qquad \lambda_f=2.1}. \] Неокруглённые результаты: \(z_f=11.095\ \mathrm{km}\) и \(\lambda_f=2.14594\); при использовании округлённых значений \(\eta=5.5\) и \(a=0.11\) ответы с двумя значащими цифрами получаются теми же.
Решение
(a)
По закону Архимеда выталкивающая сила равна весу вытесненного воздуха. Считая плотность окружающего воздуха однородной в пределах размеров шара, получаем
\[ F_B=\rho_A Vg. \]
Уравнения состояния идеального газа для окружающего воздуха и гелия дают
\[ \rho_A=\frac{PM_A}{RT}, \qquad V=\frac{nRT}{P+\Delta P}. \]
Поэтому общая для них температура сокращается:
\[ \boxed{F_B=nM_Ag\,\frac{P}{P+\Delta P}}. \]
Это только выталкивающая сила. Силы тяжести, действующие на гелий, оболочку и полезную нагрузку, учитываются отдельно в общем балансе сил.
(b)
Атмосфера находится в гидростатическом равновесии:
\[ \frac{dP}{dz}=-\rho(z)g. \]
Для воздуха постоянного состава, рассматриваемого как идеальный газ,
\[ \frac{\rho(z)}{\rho_0} =\frac{P(z)}{P_0}\frac{T_0}{T(z)}. \]
Используя заданные зависимости температуры и давления от высоты, получаем
\[ \rho(z)=\rho_0 \left(1-\frac{z}{z_0}\right)^{\eta-1}. \]
Дифференцируя уравнение (2.1) и подставляя результат в уравнение гидростатики, получаем
\[ -\frac{\eta P_0}{z_0} \left(1-\frac{z}{z_0}\right)^{\eta-1} = -\rho_0g \left(1-\frac{z}{z_0}\right)^{\eta-1}. \]
Следовательно,
\[ \boxed{\eta=\frac{\rho_0gz_0}{P_0}}. \]
Численно
\[ \eta= \frac{(1.16)(9.8)(49\times10^3)} {1.01\times10^5} =5.51517\ldots, \]
так что с двумя значащими цифрами
\[ \boxed{\eta=5.5}. \]
(c)
При квазистатическом расширении при постоянной температуре работа избыточного внутреннего давления идёт на увеличение упругой энергии, описываемой данной моделью:
\[ \Delta P\,dV=dU. \]
Объём шара равен
\[ V=\frac{4\pi}{3}r_0^3\lambda^3, \qquad \frac{dV}{d\lambda}=4\pi r_0^3\lambda^2. \]
Из уравнения (2.2)
\[ \left(\frac{\partial U}{\partial\lambda}\right)_T =16\pi r_0^2\kappa RT \left(\lambda-\lambda^{-5}\right). \]
Таким образом,
\[ \boxed{ \Delta P =\frac{(\partial U/\partial\lambda)_T}{dV/d\lambda} =\frac{4\kappa RT}{r_0} \left(\lambda^{-1}-\lambda^{-7}\right) }. \]
Чтобы описать эскиз графика, введём масштаб давления
\[ C=\frac{4\kappa RT}{r_0}. \]
Тогда
\[ \frac{d\Delta P}{d\lambda} =C\lambda^{-8}(7-\lambda^6). \]
Кривая обладает следующими свойствами:
- Её физическая область определения — \(\lambda\ge1\), и она начинается со значения \(\Delta P=0\) при \(\lambda=1\).
- Она возрастает с положительным наклоном до \[ \lambda_{\max}=7^{1/6}=1.38309\ldots. \]
- Её максимальное значение равно \[ \Delta P_{\max} =C\frac{6}{7^{7/6}} \approx0.620\,C. \]
- После максимума она монотонно убывает, оставаясь положительной. При большом растяжении \[ \Delta P\sim\frac{C}{\lambda}\longrightarrow0^+, \] поэтому горизонтальная ось является асимптотой.
(d)
Пусть
\[ V_0=\frac{4\pi}{3}r_0^3. \]
При \(\lambda=1\) из пункта (c) получаем \(\Delta P=0\). Поэтому для нерастянутого шара выполняется
\[ P_0V_0=n_0RT_0. \]
Поскольку
\[ a=\frac{\kappa}{\kappa_0} =\frac{4\kappa RT_0}{r_0P_0}, \]
избыточное давление при температуре \(T_0\) равно
\[ \frac{\Delta P}{P_0} =a\left(\lambda^{-1}-\lambda^{-7}\right). \]
Для надутого шара выполняется
\[ (P_0+\Delta P)V_0\lambda^3=nRT_0. \]
Деля на \(P_0V_0=n_0RT_0\), получаем
\[ \frac{n}{n_0} =\lambda^3\left[ 1+a\left(\lambda^{-1}-\lambda^{-7}\right) \right] =\lambda^3+a\left(\lambda^2-\lambda^{-4}\right). \]
Следовательно,
\[ \boxed{ a=\frac{n/n_0-\lambda^3}{\lambda^2-\lambda^{-4}} }. \]
Подстановка даёт
\[ a=\frac{3.6-1.5^3}{1.5^2-1.5^{-4}} =0.109624\ldots, \]
откуда
\[ \boxed{a=0.11}. \]
(e)
Введём безразмерную температуру
\[ t=\frac{T}{T_0}=1-\frac{z}{z_0}. \]
Тогда
\[ P=P_0t^\eta, \qquad \Delta P=aP_0t \left(\lambda^{-1}-\lambda^{-7}\right). \]
Поскольку гелий не утекает, \(n\) остаётся постоянным. Его уравнение состояния идеального газа имеет вид
\[ \left[ P_0t^\eta+aP_0t \left(\lambda^{-1}-\lambda^{-7}\right) \right]V_0\lambda^3 =nRT_0t. \]
Используя \(P_0V_0=n_0RT_0\) и деля на \(t\), получаем
\[ \frac{n}{n_0} =t^{\eta-1}\lambda^3 +a\left(\lambda^2-\lambda^{-4}\right). \tag{1} \]
Масса вытесненного воздуха определяется через его плотность, найденную из уравнения состояния идеального газа:
\[ \rho_A V =\frac{M_AP}{RT}V_0\lambda^3 =n_0M_A\,t^{\eta-1}\lambda^3. \]
На конечной высоте выталкивающая сила уравновешивает полную силу тяжести:
\[ n_0M_Ag\,t_f^{\eta-1}\lambda_f^3=M_Tg, \]
так что
\[ t_f^{\eta-1}\lambda_f^3 =\frac{M_T}{n_0M_A}. \tag{2} \]
Сила тяжести, действующая на гелий, уже включена в \(M_Tg\).
Исключая из (1) и (2) множитель, описывающий состояние атмосферы, получаем уравнение только для конечного коэффициента увеличения радиуса:
\[ a\left(\lambda_f^2-\lambda_f^{-4}\right) =\frac{n}{n_0}-\frac{M_T}{n_0M_A}. \]
Сохраняя неокруглённые промежуточные значения, получаем
\[ \frac{M_T}{n_0M_A} =\frac{1.12}{(12.5)(28.9\times10^{-3})} =3.100346\ldots, \]
и поэтому
\[ \lambda_f^2-\lambda_f^{-4} =\frac{3.6-3.100346\ldots}{0.109624\ldots} =4.557886\ldots. \]
Левая часть строго возрастает при \(\lambda_f\ge1\), поскольку её производная равна \(2\lambda_f+4\lambda_f^{-5}>0\). Таким образом, существует единственный физически допустимый корень:
\[ \lambda_f=2.145936\ldots. \]
Теперь уравнение (2) даёт
\[ t_f= \left( \frac{M_T}{n_0M_A\lambda_f^3} \right)^{1/(\eta-1)} =0.773571\ldots. \]
Следовательно,
\[ z_f=z_0(1-t_f) =(49\ \mathrm{km})(1-0.773571\ldots) =11.0950\ldots\ \mathrm{km}. \]
С двумя значащими цифрами
\[ \boxed{\lambda_f=2.1,\qquad z_f=11\ \mathrm{km}}. \]
Конечная высота находится в пределах заданного диапазона высот атмосферы. Кроме того, в начальный момент результирующая сила направлена вверх: на уровне моря масса вытесненного шаром воздуха равна
\[ n_0M_A(1.5)^3=1.2192\ldots\ \mathrm{kg}>M_T. \]
Решение проверено по официальному решению.
IPhO 2004 · مسألة نظرية 2
بالون صاعد
يرتفع بالون مطاطي مملوء بغاز الهيليوم عاليًا في السماء، حيث ينخفض الضغط ودرجة الحرارة مع الارتفاع. في الأسئلة التالية، افترض أن شكل البالون يظل كرويًا بصرف النظر عن الحمولة، وأهمل حجم الحمولة. وافترض أيضًا أن درجة حرارة غاز الهيليوم داخل البالون تساوي دائمًا درجة حرارة الهواء المحيط، وعامل جميع الغازات بوصفها غازات مثالية. ثابت الغازات العام هو \(R=8.31\ \mathrm{J/mol\cdot K}\)، والكتلتان الموليتان للهيليوم والهواء هما \(M_H=4.00\times10^{-3}\ \mathrm{kg/mol}\) و\(M_A=28.9\times10^{-3}\ \mathrm{kg/mol}\)، على الترتيب. تسارع الجاذبية هو \(g=9.8\ \mathrm{m/s^2}\).
[الجزء A ]
(a) [1.5 درجة] ليكن ضغط الهواء المحيط \(P\) ودرجة حرارته \(T\). يكون الضغط داخل البالون أعلى منه خارجه بسبب التوتر السطحي للبالون. يحتوي البالون على \(n\) مول من غاز الهيليوم، ويبلغ الضغط داخله \(P+\Delta P\). أوجد قوة الطفو \(F_B\) المؤثرة في البالون بدلالة \(P\) و\(\Delta P\).
(b) [درجتان] في أحد أيام الصيف في كوريا، وُجد أن درجة حرارة الهواء \(T\) عند ارتفاع \(z\) عن مستوى سطح البحر تُعطى بالعلاقة \(T(z)=T_0(1-z/z_0)\) في المجال \(0<z<15\ \mathrm{km}\)، حيث \(z_0=49\ \mathrm{km}\) و\(T_0=303\ \mathrm{K}\). وكان الضغط والكثافة عند مستوى سطح البحر \(P_0=1.0\ \mathrm{atm}=1.01\times10^5\ \mathrm{Pa}\) و\(\rho_0=1.16\ \mathrm{kg/m^3}\)، على الترتيب. في هذا المجال من الارتفاعات، يأخذ الضغط الصورة
\[ P(z)=P_0(1-z/z_0)^\eta. \tag{2.1} \]
عبّر عن \(\eta\) بدلالة \(z_0\) و\(\rho_0\) و\(P_0\) و\(g\)، وأوجد قيمتها العددية برقمين معنويين. اعتبر تسارع الجاذبية ثابتًا لا يعتمد على الارتفاع.
[الجزء B ]
عندما يُنفخ بالون مطاطي كروي الشكل نصف قطره قبل التمدد \(r_0\) ليصبح كرة نصف قطرها \(r\) \((\ge r_0)\)، تختزن قشرة البالون طاقة مرونية إضافية بسبب التمدد. في نظرية مبسطة، يمكن التعبير عن الطاقة المرونية عند درجة حرارة ثابتة \(T\) بالعلاقة
\[ U=4\pi r_0^2\kappa RT \left(2\lambda^2+\frac{1}{\lambda^4}-3\right) \tag{2.2} \]
حيث \(\lambda\equiv r/r_0\) \((\ge1)\) هي نسبة التضخم في الأبعاد، و\(\kappa\) ثابت وحدته \(\mathrm{mol/m^2}\).
(c) [درجتان] عبّر عن \(\Delta P\) بدلالة المعلمات المعطاة في المعادلة (2.2)، وارسم رسمًا تخطيطيًا لـ\(\Delta P\) بدلالة \(\lambda=r/r_0\).
(d) [1.5 درجة] يمكن تحديد الثابت \(\kappa\) من كمية الغاز اللازمة لنفخ البالون. عند \(T_0=303\ \mathrm{K}\) و\(P_0=1.0\ \mathrm{atm}=1.01\times10^5\ \mathrm{Pa}\)، يحتوي البالون غير المتمدد \((\lambda=1)\) على \(n_0=12.5\) مول من الهيليوم. ويلزم ما مجموعه \(n=3.6n_0=45\) مول لنفخ البالون حتى \(\lambda=1.5\) عند نفس \(T_0\) و\(P_0\). عبّر عن معلمة البالون \(a\)، المعرّفة بالعلاقة \(a=\kappa/\kappa_0\)، بدلالة \(n\) و\(n_0\) و\(\lambda\)، حيث \(\kappa_0\equiv r_0P_0/(4RT_0)\). احسب \(a\) برقمين معنويين.
[الجزء C]
يُجهَّز بالون كما في (d) عند مستوى سطح البحر (يُنفخ حتى \(\lambda=1.5\) باستخدام \(n=3.6n_0=45\) مول من غاز الهيليوم عند \(T_0=303\ \mathrm{K}\) و\(P_0=1\ \mathrm{atm}=1.01\times10^5\ \mathrm{Pa}\)). وتبلغ الكتلة الكلية، بما فيها الغاز والبالون نفسه والحمولات الأخرى، \(M_T=1.12\ \mathrm{kg}\). دع البالون الآن يرتفع من مستوى سطح البحر.
(e) [3 درجات] افترض أن البالون يتوقف في النهاية عند الارتفاع \(z_f\)، حيث تتوازن قوة الطفو مع الوزن الكلي. أوجد \(z_f\) ونسبة التضخم \(\lambda_f\) عند ذلك الارتفاع. أعط الإجابات برقمين معنويين. افترض عدم وجود تأثير للانجراف أو تسرب للغاز أثناء الصعود.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
-
(a) قوة الطفو المتجهة إلى أعلى هي \[ \boxed{F_B=nM_Ag\,\frac{P}{P+\Delta P}}. \]
-
(b) \[ \boxed{\eta=\frac{\rho_0gz_0}{P_0}=5.5}. \]
-
(c) \[ \boxed{\Delta P=\frac{4\kappa RT}{r_0} \left(\lambda^{-1}-\lambda^{-7}\right)}. \] يبدأ المنحنى عند \((1,0)\)، ويبلغ قيمته العظمى الوحيدة عند \(\lambda=7^{1/6}\approx1.38\)، ثم يتناقص مقتربًا من الصفر من جهة القيم الموجبة.
-
(d) \[ \boxed{a=\frac{n/n_0-\lambda^3}{\lambda^2-\lambda^{-4}}=0.11}. \]
-
(e) \[ \boxed{z_f=1.1\times10^4\ \mathrm{m}=11\ \mathrm{km}, \qquad \lambda_f=2.1}. \] النتيجتان قبل التقريب هما \(z_f=11.095\ \mathrm{km}\) و \(\lambda_f=2.14594\)؛ واستخدام القيمتين المقرّبتين \(\eta=5.5\) و\(a=0.11\) بدلًا من ذلك يعطي الإجابتين نفسيهما برقمين معنويين.
الحل
(a)
وفقًا لمبدأ أرخميدس، تساوي قوة الطفو وزن الهواء المزاح. وباعتبار كثافة الهواء المحيط منتظمة على امتداد أبعاد البالون،
\[ F_B=\rho_A Vg. \]
تعطي معادلتَا الغاز المثالي للهواء المحيط والهيليوم
\[ \rho_A=\frac{PM_A}{RT}, \qquad V=\frac{nRT}{P+\Delta P}. \]
ولذلك تُختزل درجة الحرارة المشتركة:
\[ \boxed{F_B=nM_Ag\,\frac{P}{P+\Delta P}}. \]
هذه هي قوة الطفو وحدها. أما أوزان الهيليوم والغلاف والحمولة فتدخل بصورة منفصلة في توازن القوى الكلي.
(b)
الغلاف الجوي في حالة اتزان هيدروستاتيكي:
\[ \frac{dP}{dz}=-\rho(z)g. \]
للهواء المثالي ذي التركيب الثابت،
\[ \frac{\rho(z)}{\rho_0} =\frac{P(z)}{P_0}\frac{T_0}{T(z)}. \]
وباستخدام التوزيعين المعطيين لدرجة الحرارة والضغط،
\[ \rho(z)=\rho_0 \left(1-\frac{z}{z_0}\right)^{\eta-1}. \]
باشتقاق المعادلة (2.1) والتعويض في معادلة الاتزان الهيدروستاتيكي نحصل على
\[ -\frac{\eta P_0}{z_0} \left(1-\frac{z}{z_0}\right)^{\eta-1} = -\rho_0g \left(1-\frac{z}{z_0}\right)^{\eta-1}. \]
وعليه،
\[ \boxed{\eta=\frac{\rho_0gz_0}{P_0}}. \]
عدديًا،
\[ \eta= \frac{(1.16)(9.8)(49\times10^3)} {1.01\times10^5} =5.51517\ldots, \]
ومن ثم، برقمين معنويين،
\[ \boxed{\eta=5.5}. \]
(c)
في تمدد شبه ساكن عند درجة حرارة ثابتة، يوفّر الشغل الذي يبذله الضغط الداخلي الزائد الزيادة في الطاقة المرونية التي يصفها النموذج:
\[ \Delta P\,dV=dU. \]
حجم البالون هو
\[ V=\frac{4\pi}{3}r_0^3\lambda^3, \qquad \frac{dV}{d\lambda}=4\pi r_0^3\lambda^2. \]
من المعادلة (2.2)،
\[ \left(\frac{\partial U}{\partial\lambda}\right)_T =16\pi r_0^2\kappa RT \left(\lambda-\lambda^{-5}\right). \]
إذن
\[ \boxed{ \Delta P =\frac{(\partial U/\partial\lambda)_T}{dV/d\lambda} =\frac{4\kappa RT}{r_0} \left(\lambda^{-1}-\lambda^{-7}\right) }. \]
لتحديد الرسم التخطيطي، نعرّف مقياس الضغط
\[ C=\frac{4\kappa RT}{r_0}. \]
عندئذٍ
\[ \frac{d\Delta P}{d\lambda} =C\lambda^{-8}(7-\lambda^6). \]
يتصف المنحنى بالخصائص التالية:
- مجاله الفيزيائي هو \(\lambda\ge1\)، ويبدأ عند \(\Delta P=0\) عندما \(\lambda=1\).
- يرتفع بميل موجب حتى \[ \lambda_{\max}=7^{1/6}=1.38309\ldots. \]
- قيمته العظمى هي \[ \Delta P_{\max} =C\frac{6}{7^{7/6}} \approx0.620\,C. \]
- بعد القيمة العظمى، يتناقص رتيبًا مع بقائه موجبًا. وعند نسب تضخم كبيرة، \[ \Delta P\sim\frac{C}{\lambda}\longrightarrow0^+, \] لذا يكون المحور الأفقي خطًا مقاربًا.
(d)
لتكن
\[ V_0=\frac{4\pi}{3}r_0^3. \]
عند \(\lambda=1\)، يعطي الجزء (c) أن \(\Delta P=0\). ومن ثم يحقق البالون غير المتمدد العلاقة
\[ P_0V_0=n_0RT_0. \]
وبما أن
\[ a=\frac{\kappa}{\kappa_0} =\frac{4\kappa RT_0}{r_0P_0}, \]
فإن الضغط الزائد عند درجة الحرارة \(T_0\) هو
\[ \frac{\Delta P}{P_0} =a\left(\lambda^{-1}-\lambda^{-7}\right). \]
يحقق البالون المنفوخ العلاقة
\[ (P_0+\Delta P)V_0\lambda^3=nRT_0. \]
بالقسمة على \(P_0V_0=n_0RT_0\)،
\[ \frac{n}{n_0} =\lambda^3\left[ 1+a\left(\lambda^{-1}-\lambda^{-7}\right) \right] =\lambda^3+a\left(\lambda^2-\lambda^{-4}\right). \]
وعليه،
\[ \boxed{ a=\frac{n/n_0-\lambda^3}{\lambda^2-\lambda^{-4}} }. \]
بالتعويض نحصل على
\[ a=\frac{3.6-1.5^3}{1.5^2-1.5^{-4}} =0.109624\ldots, \]
ومن ثم
\[ \boxed{a=0.11}. \]
(e)
نعرّف درجة الحرارة اللابعدية
\[ t=\frac{T}{T_0}=1-\frac{z}{z_0}. \]
عندئذٍ
\[ P=P_0t^\eta, \qquad \Delta P=aP_0t \left(\lambda^{-1}-\lambda^{-7}\right). \]
لأن الهيليوم لا يتسرب، تظل \(n\) ثابتة. ومعادلة الغاز المثالي له هي
\[ \left[ P_0t^\eta+aP_0t \left(\lambda^{-1}-\lambda^{-7}\right) \right]V_0\lambda^3 =nRT_0t. \]
باستخدام \(P_0V_0=n_0RT_0\) والقسمة على \(t\)،
\[ \frac{n}{n_0} =t^{\eta-1}\lambda^3 +a\left(\lambda^2-\lambda^{-4}\right). \tag{1} \]
تُستنتج كتلة الهواء المزاح من كثافته وفق قانون الغاز المثالي:
\[ \rho_A V =\frac{M_AP}{RT}V_0\lambda^3 =n_0M_A\,t^{\eta-1}\lambda^3. \]
عند الارتفاع النهائي، تتوازن قوة الطفو مع الوزن بأكمله:
\[ n_0M_Ag\,t_f^{\eta-1}\lambda_f^3=M_Tg, \]
ومن ثم
\[ t_f^{\eta-1}\lambda_f^3 =\frac{M_T}{n_0M_A}. \tag{2} \]
وزن الهيليوم مشمول بالفعل في \(M_Tg\).
بحذف العامل المتعلق بالغلاف الجوي بين (1) و(2)، نحصل على معادلة لنسبة التضخم النهائية وحدها:
\[ a\left(\lambda_f^2-\lambda_f^{-4}\right) =\frac{n}{n_0}-\frac{M_T}{n_0M_A}. \]
مع الاحتفاظ بالقيم الوسيطة دون تقريب،
\[ \frac{M_T}{n_0M_A} =\frac{1.12}{(12.5)(28.9\times10^{-3})} =3.100346\ldots, \]
ولذلك
\[ \lambda_f^2-\lambda_f^{-4} =\frac{3.6-3.100346\ldots}{0.109624\ldots} =4.557886\ldots. \]
الطرف الأيسر متزايد تمامًا عندما \(\lambda_f\ge1\)، لأن مشتقته هي \(2\lambda_f+4\lambda_f^{-5}>0\). لذا يوجد جذر فيزيائي وحيد:
\[ \lambda_f=2.145936\ldots. \]
تعطي المعادلة (2) الآن
\[ t_f= \left( \frac{M_T}{n_0M_A\lambda_f^3} \right)^{1/(\eta-1)} =0.773571\ldots. \]
وعليه،
\[ z_f=z_0(1-t_f) =(49\ \mathrm{km})(1-0.773571\ldots) =11.0950\ldots\ \mathrm{km}. \]
برقمين معنويين،
\[ \boxed{\lambda_f=2.1,\qquad z_f=11\ \mathrm{km}}. \]
يقع الارتفاع النهائي ضمن المجال المحدد للغلاف الجوي. وللبالون أيضًا قوة رفع صافية ابتدائية موجبة: فعند مستوى سطح البحر، تبلغ كتلة الهواء الذي يزيحه
\[ n_0M_A(1.5)^3=1.2192\ldots\ \mathrm{kg}>M_T. \]
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي.