IPhO 2011 · Theory problem 2
An Electrified Soap Bubble
A spherical soap bubble with internal air density \(\rho_i\), temperature \(T_i\) and radius \(R_0\) is surrounded by air with density \(\rho_a\), atmospheric pressure \(P_a\) and temperature \(T_a\). The soap film has surface tension \(\gamma\), density \(\rho_s\) and thickness \(t\). The mass and the surface tension of the soap do not change with the temperature. Assume that \(R_0\gg t\).
The increase in energy, \(dE\), that is needed to increase the surface area of a soap-air interface by \(dA\), is given by \(dE=\gamma\,dA\) where \(\gamma\) is the surface tension of the film.
2.1 Find the ratio \(\dfrac{\rho_iT_i}{\rho_aT_a}\) in terms of \(\gamma\), \(P_a\) and \(R_0\). [1.7 point]
2.2 Find the numerical value of \(\dfrac{\rho_iT_i}{\rho_aT_a}-1\) using \(\gamma=0.0250\ \mathrm{N\,m^{-1}}\), \(R_0=1.00\ \mathrm{cm}\), and \(P_a=1.013\times10^5\ \mathrm{N\,m^{-2}}\). [0.4 point]
2.3 The bubble is initially formed with warmer air inside. Find the minimum numerical value of \(T_i\) such that the bubble can float in still air. Use \(T_a=300\ \mathrm K\), \(\rho_s=1000\ \mathrm{kg\,m^{-3}}\), \(\rho_a=1.30\ \mathrm{kg\,m^{-3}}\), \(t=100\ \mathrm{nm}\) and \(g=9.80\ \mathrm{m\,s^{-2}}\). [2.0 points]
After the bubble is formed for a while, it will be in thermal equilibrium with the surroundings. This bubble in still air will naturally fall towards the ground.
2.4 Find the minimum velocity \(u\) of an updraught (air flowing upwards) that will keep the bubble from falling at thermal equilibrium. Give your answer in terms of \(\rho_s\), \(R_0\), \(g\), \(t\) and the air’s coefficient of viscosity \(\eta\). You may assume that the velocity is small such that Stokes’s law applies, and ignore the change in the radius when the temperature lowers to the equilibrium. The drag force from Stokes’s Law is \(F=6\pi\eta R_0u\). [1.6points]
2.5 Calculate the numerical value for \(u\) using \(\eta=1.8\times10^{-5}\ \mathrm{kg\,m^{-1}\,s^{-1}}\). [0.4 point]
The above calculations suggest that the terms involving the surface tension \(\gamma\) add very little to the accuracy of the result. In all of the questions below, you can neglect the surface tension terms.
2.6 If this spherical bubble is now electrified uniformly with a total charge \(q\), find an equation describing the new radius \(R_1\) in terms of \(R_0,P_a,q\) and the permittivity of free space \(\varepsilon_0\). [2.0points]
2.7 Assume that the total charge is not too large (i.e. \(\dfrac{q^2}{\varepsilon_0R_0^4}\ll P_a\)) and the bubble only experiences a small increase in its radius, find \(\Delta R\) where \(R_1=R_0+\Delta R\).
Given that \((1+x)^n\approx1+nx\) where \(x\ll1\). [0.7 point]
2.8 What must be the magnitude of this charge \(q\) in terms of \(t,\rho_a,\rho_s,\varepsilon_0,R_0,P_a\) in order that the bubble will float motionlessly in still air? Calculate also the numerical value of \(q\). The permittivity of free space \(\varepsilon_0=8.85\times10^{-12}\ \mathrm{farad/m}\). [1.2 points]
Official English text of the problem.
Answers
-
2.1 \[ \boxed{\frac{\rho_iT_i}{\rho_aT_a}=1+\frac{4\gamma}{P_aR_0}}. \]
-
2.2 \[ \boxed{\frac{\rho_iT_i}{\rho_aT_a}-1=9.87\times10^{-5}}. \]
-
2.3 \[ \boxed{ T_{i,\min} =T_a\frac{1+\dfrac{4\gamma}{P_aR_0}} {1-\dfrac{3\rho_st}{\rho_aR_0}} =307\ \mathrm K }. \]
-
2.4, neglecting the small surface-tension correction: \[ \boxed{u_{\min}\simeq\frac{2\rho_sR_0tg}{3\eta}}. \]
-
2.5 \[ \boxed{u_{\min}\simeq0.36\ \mathrm{m\,s^{-1}}}. \]
-
2.6 \[ \boxed{R_1^4-R_0^3R_1-\frac{q^2}{32\pi^2\varepsilon_0P_a}=0}, \qquad R_1\ge R_0. \]
-
2.7 \[ \boxed{\Delta R\simeq\frac{q^2}{96\pi^2\varepsilon_0P_aR_0^3}}. \]
-
2.8, using the small-expansion approximation: \[ \boxed{ |q|\simeq \sqrt{\frac{96\pi^2\varepsilon_0P_a\rho_stR_0^3}{\rho_a}} =2.56\times10^{-7}\ \mathrm C }. \] Without linearizing the expansion, the thin-film result is \[ \boxed{ |q|= \sqrt{\frac{96\pi^2\varepsilon_0P_a\rho_stR_0^3}{\rho_a}} \left(1+\frac{3\rho_st}{\rho_aR_0}\right)^{1/6} =2.57\times10^{-7}\ \mathrm C }. \]
Solution
We treat the air as an ideal gas with the same composition inside and outside. In the thin-film approximation, the bubble volume and soap mass are \[ V=\frac43\pi R^3, \qquad m_s\simeq4\pi R^2t\rho_s. \] The film has two soap-air interfaces, but its mass is that of one shell.
2.1
Both interfaces contribute to the surface energy. Neglecting their small difference in radius, \[ E_s=2\gamma(4\pi R^2)=8\pi\gamma R^2. \] For a small outward displacement \(dR\), mechanical equilibrium requires \[ (P_i-P_a)\,dV=dE_s. \] Since \[ dV=4\pi R^2\,dR, \qquad dE_s=16\pi\gamma R\,dR, \] the excess internal pressure is \[ P_i-P_a=\frac{4\gamma}{R_0}. \]
The ideal-gas relation \(P=\rho\mathcal R_{\rm air}T\), with the same specific gas constant on both sides, gives \[ \boxed{ \frac{\rho_iT_i}{\rho_aT_a} =\frac{P_i}{P_a} =1+\frac{4\gamma}{P_aR_0} }. \]
2.2
With \(R_0=1.00\times10^{-2}\ \mathrm m\), \[ P_i-P_a =\frac{4(0.0250)}{1.00\times10^{-2}} =10.0\ \mathrm{Pa}. \] Thus \[ \boxed{ \frac{\rho_iT_i}{\rho_aT_a}-1 =\frac{10.0}{1.013\times10^5} =9.87\times10^{-5} }. \]
2.3
The upward buoyant force is the weight of the displaced ambient air: \[ F_B=\rho_aV_0g, \qquad V_0=\frac43\pi R_0^3. \] At the minimum temperature that permits floating, buoyancy just balances the combined weight of the internal air and soap: \[ \rho_aV_0g=\rho_iV_0g+4\pi R_0^2t\rho_sg. \] Therefore, \[ \rho_i=\rho_a-\frac{3\rho_st}{R_0}. \] Numerically, \[ \frac{3\rho_st}{R_0} =\frac{3(1000)(1.00\times10^{-7})}{1.00\times10^{-2}} =0.0300\ \mathrm{kg\,m^{-3}}, \] so neutral buoyancy requires \[ \rho_i=1.27\ \mathrm{kg\,m^{-3}}. \]
Using part 2.1, \[ T_{i,\min} =\frac{\rho_aT_a}{\rho_i} \left(1+\frac{4\gamma}{P_aR_0}\right) =T_a \frac{1+\dfrac{4\gamma}{P_aR_0}} {1-\dfrac{3\rho_st}{\rho_aR_0}}. \] Consequently, \[ T_{i,\min} =300\frac{1+9.8717\times10^{-5}}{1-0.0300/1.30} =307.117\ \mathrm K, \] or \[ \boxed{T_{i,\min}=307\ \mathrm K}. \] A higher temperature gives a lower internal air density and hence an upward net force.
2.4
At thermal equilibrium, \(T_i=T_a\). Part 2.1 then gives \[ \rho_i-\rho_a=\rho_a\frac{4\gamma}{P_aR_0}. \]
For a stationary bubble, the upward Stokes drag must balance its weight minus buoyancy: \[ 6\pi\eta R_0u_{\min} = 4\pi R_0^2t\rho_sg +\frac43\pi R_0^3(\rho_i-\rho_a)g. \] Hence, retaining surface tension, \[ u_{\min} = \frac{2\rho_sR_0tg}{3\eta} +\frac{8\rho_a\gamma R_0g}{9\eta P_a}. \]
The ratio of the second term to the first is \[ \frac{4\rho_a\gamma}{3P_a\rho_st} =4.28\times10^{-3}. \] Thus surface tension changes the required speed by only about \(0.43\%\). Neglecting this correction gives the expression in the requested parameters: \[ \boxed{u_{\min}\simeq\frac{2\rho_sR_0tg}{3\eta}}. \]
This uses the stipulated Stokes drag law and the instruction to ignore the radius change during cooling.
2.5
Substituting the given values, \[ u_{\min}\simeq \frac{2(1000)(1.00\times10^{-2})(1.00\times10^{-7})(9.80)} {3(1.8\times10^{-5})} =0.362963\ \mathrm{m\,s^{-1}}. \] Therefore, \[ \boxed{u_{\min}\simeq0.36\ \mathrm{m\,s^{-1}}}. \] Including surface tension gives \(0.364516\ \mathrm{m\,s^{-1}}\), which rounds to the same answer at two significant figures.
2.6
We now neglect surface tension as instructed. Before charging, the bubble is at temperature \(T_a\), with internal pressure \(P_a\). The enclosed air mass is conserved, and the final state is also at temperature \(T_a\). The ideal-gas law therefore gives \[ P_iV_1=P_aV_0, \qquad P_i=P_a\frac{R_0^3}{R_1^3}. \]
A uniformly charged spherical shell has electric field \[ E(r)=\frac{q}{4\pi\varepsilon_0r^2} \quad (r>R), \] and zero field inside. Its electrostatic energy is \[ U_e=\frac{\varepsilon_0}{2}\int_R^\infty E(r)^2\,4\pi r^2\,dr =\frac{q^2}{8\pi\varepsilon_0R}. \] At fixed charge, an increase in radius lowers this energy. The corresponding outward electric pressure is \[ p_e=-\frac{dU_e}{dV} =-\frac{dU_e/dR}{4\pi R^2} =\frac{q^2}{32\pi^2\varepsilon_0R^4}. \]
Mechanical equilibrium requires \[ P_i+p_e=P_a. \] At \(R=R_1\), \[ P_a\frac{R_0^3}{R_1^3} +\frac{q^2}{32\pi^2\varepsilon_0R_1^4} =P_a. \] Multiplying by \(R_1^4/P_a\) gives \[ \boxed{ R_1^4-R_0^3R_1-\frac{q^2}{32\pi^2\varepsilon_0P_a}=0 }. \] For nonzero charge, the physical solution has \(R_1>R_0\).
2.7
Let \[ x=\frac{\Delta R}{R_0}\ll1, \qquad R_1=R_0(1+x). \] The equation from part 2.6 becomes \[ R_0^4\big[(1+x)^4-(1+x)\big] =\frac{q^2}{32\pi^2\varepsilon_0P_a}. \] To first order, \[ (1+x)^4-(1+x)\simeq(1+4x)-(1+x)=3x. \] Thus \[ 3R_0^4x=\frac{q^2}{32\pi^2\varepsilon_0P_a}, \] and \[ \boxed{ \Delta R\simeq\frac{q^2}{96\pi^2\varepsilon_0P_aR_0^3} }. \]
2.8
Charging increases the displaced air volume while leaving the total bubble mass unchanged.
Before charging, the internal air density equals \(\rho_a\), because surface tension is now neglected and both its pressure and temperature equal the ambient values. Its mass is therefore \[ m_i=\rho_aV_0. \] The conserved soap mass is \[ m_s=4\pi R_0^2t\rho_s. \] Here \(t\) is the original thickness; the film becomes thinner as it expands.
Neutral buoyancy after charging requires \[ \rho_aV_1g=(\rho_aV_0+m_s)g. \] Hence \[ \rho_a\frac43\pi(R_1^3-R_0^3) =4\pi R_0^2t\rho_s, \] or \[ R_1^3-R_0^3=\frac{3\rho_stR_0^2}{\rho_a}. \]
For a small expansion, \[ R_1^3-R_0^3\simeq3R_0^2\Delta R, \] so the required radius increase is \[ \Delta R\simeq\frac{\rho_st}{\rho_a}. \] Numerically, \[ \Delta R\simeq \frac{1000(1.00\times10^{-7})}{1.30} =7.69\times10^{-5}\ \mathrm m, \qquad \frac{\Delta R}{R_0}\simeq0.00769. \]
Equating this increase to the result of part 2.7 gives \[ \frac{q^2}{96\pi^2\varepsilon_0P_aR_0^3} =\frac{\rho_st}{\rho_a}, \] and therefore \[ \boxed{ |q|\simeq \sqrt{\frac{96\pi^2\varepsilon_0P_a\rho_stR_0^3}{\rho_a}} }. \] Substitution yields \[ |q|\simeq \sqrt{ \frac{ 96\pi^2(8.85\times10^{-12})(1.013\times10^5) (1000)(1.00\times10^{-7})(1.00\times10^{-2})^3 }{1.30} }, \] so \[ \boxed{|q|\simeq2.56\times10^{-7}\ \mathrm C=0.256\ \mu\mathrm C}. \]
The result can also be obtained without linearizing the expansion. Neutral buoyancy gives \[ R_1=R_0\left(1+\frac{3\rho_st}{\rho_aR_0}\right)^{1/3}. \] Combining this with part 2.6, \[ q^2 =32\pi^2\varepsilon_0P_aR_1(R_1^3-R_0^3) =\frac{96\pi^2\varepsilon_0P_a\rho_stR_0^2R_1}{\rho_a}. \] Thus the unexpanded thin-film result is \[ \boxed{ |q|= \sqrt{\frac{96\pi^2\varepsilon_0P_a\rho_stR_0^3}{\rho_a}} \left(1+\frac{3\rho_st}{\rho_aR_0}\right)^{1/6} =2.57\times10^{-7}\ \mathrm C }. \] Either sign of charge produces the same expansion because the electric pressure depends on \(q^2\).
The solution was checked against the official solution.
IPhO 2011 · Theorieaufgabe 2
Eine elektrisch geladene Seifenblase
Eine kugelförmige Seifenblase mit der Luftdichte \(\rho_i\) im Inneren, der Temperatur \(T_i\) und dem Radius \(R_0\) ist von Luft mit der Dichte \(\rho_a\), dem atmosphärischen Druck \(P_a\) und der Temperatur \(T_a\) umgeben. Der Seifenfilm hat die Oberflächenspannung \(\gamma\), die Dichte \(\rho_s\) und die Dicke \(t\). Die Masse und die Oberflächenspannung der Seife ändern sich nicht mit der Temperatur. Nehmen Sie an, dass \(R_0\gg t\).
Die Energiezunahme \(dE\), die erforderlich ist, um die Fläche einer Seife-Luft-Grenzfläche um \(dA\) zu vergrößern, ist durch \(dE=\gamma\,dA\) gegeben, wobei \(\gamma\) die Oberflächenspannung des Films ist.
2.1 Bestimmen Sie das Verhältnis \(\dfrac{\rho_iT_i}{\rho_aT_a}\) in Abhängigkeit von \(\gamma\), \(P_a\) und \(R_0\). [1.7 Punkte]
2.2 Bestimmen Sie den Zahlenwert von \(\dfrac{\rho_iT_i}{\rho_aT_a}-1\) mit \(\gamma=0.0250\ \mathrm{N\,m^{-1}}\), \(R_0=1.00\ \mathrm{cm}\) und \(P_a=1.013\times10^5\ \mathrm{N\,m^{-2}}\). [0.4 Punkte]
2.3 Die Blase wird zunächst mit wärmerer Luft im Inneren erzeugt. Bestimmen Sie den kleinsten Zahlenwert von \(T_i\), bei dem die Blase in ruhender Luft schweben kann. Verwenden Sie \(T_a=300\ \mathrm K\), \(\rho_s=1000\ \mathrm{kg\,m^{-3}}\), \(\rho_a=1.30\ \mathrm{kg\,m^{-3}}\), \(t=100\ \mathrm{nm}\) und \(g=9.80\ \mathrm{m\,s^{-2}}\). [2.0 Punkte]
Einige Zeit nach ihrer Entstehung befindet sich die Blase im thermischen Gleichgewicht mit ihrer Umgebung. In ruhender Luft fällt diese Blase dann von selbst zu Boden.
2.4 Bestimmen Sie die Mindestgeschwindigkeit \(u\) eines Aufwinds (einer nach oben gerichteten Luftströmung), der verhindert, dass die Blase im thermischen Gleichgewicht fällt. Geben Sie Ihr Ergebnis in Abhängigkeit von \(\rho_s\), \(R_0\), \(g\), \(t\) und der dynamischen Viskosität \(\eta\) der Luft an. Sie dürfen annehmen, dass die Geschwindigkeit so klein ist, dass das Stokes'sche Gesetz gilt, und die Änderung des Radius beim Absinken der Temperatur auf die Gleichgewichtstemperatur vernachlässigen. Die Widerstandskraft nach dem Stokes'schen Gesetz beträgt \(F=6\pi\eta R_0u\). [1.6 Punkte]
2.5 Berechnen Sie den Zahlenwert von \(u\) mit \(\eta=1.8\times10^{-5}\ \mathrm{kg\,m^{-1}\,s^{-1}}\). [0.4 Punkte]
Die obigen Berechnungen legen nahe, dass die Terme mit der Oberflächenspannung \(\gamma\) nur sehr wenig zur Genauigkeit des Ergebnisses beitragen. In allen folgenden Teilaufgaben dürfen Sie die Oberflächenspannungsterme vernachlässigen.
2.6 Wenn diese kugelförmige Blase nun gleichmäßig mit einer Gesamtladung \(q\) elektrisch aufgeladen wird, bestimmen Sie eine Gleichung, die den neuen Radius \(R_1\) in Abhängigkeit von \(R_0,P_a,q\) und der elektrischen Feldkonstanten \(\varepsilon_0\) beschreibt. [2.0 Punkte]
2.7 Nehmen Sie an, dass die Gesamtladung nicht zu groß ist (d. h. \(\dfrac{q^2}{\varepsilon_0R_0^4}\ll P_a\)) und der Radius der Blase nur geringfügig zunimmt. Bestimmen Sie \(\Delta R\), wobei \(R_1=R_0+\Delta R\).
Es gilt \((1+x)^n\approx1+nx\) für \(x\ll1\). [0.7 Punkte]
2.8 Welchen Betrag muss diese Ladung \(q\) in Abhängigkeit von \(t,\rho_a,\rho_s,\varepsilon_0,R_0,P_a\) haben, damit die Blase in ruhender Luft bewegungslos schwebt? Berechnen Sie auch den Zahlenwert von \(q\). Die elektrische Feldkonstante beträgt \(\varepsilon_0=8.85\times10^{-12}\ \mathrm{farad/m}\). [1.2 Punkte]
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
-
2.1 \[ \boxed{\frac{\rho_iT_i}{\rho_aT_a}=1+\frac{4\gamma}{P_aR_0}}. \]
-
2.2 \[ \boxed{\frac{\rho_iT_i}{\rho_aT_a}-1=9.87\times10^{-5}}. \]
-
2.3 \[ \boxed{ T_{i,\min} =T_a\frac{1+\dfrac{4\gamma}{P_aR_0}} {1-\dfrac{3\rho_st}{\rho_aR_0}} =307\ \mathrm K }. \]
-
2.4, unter Vernachlässigung der kleinen Korrektur durch die Oberflächenspannung: \[ \boxed{u_{\min}\simeq\frac{2\rho_sR_0tg}{3\eta}}. \]
-
2.5 \[ \boxed{u_{\min}\simeq0.36\ \mathrm{m\,s^{-1}}}. \]
-
2.6 \[ \boxed{R_1^4-R_0^3R_1-\frac{q^2}{32\pi^2\varepsilon_0P_a}=0}, \qquad R_1\ge R_0. \]
-
2.7 \[ \boxed{\Delta R\simeq\frac{q^2}{96\pi^2\varepsilon_0P_aR_0^3}}. \]
-
2.8, in der Näherung einer kleinen Ausdehnung: \[ \boxed{ |q|\simeq \sqrt{\frac{96\pi^2\varepsilon_0P_a\rho_stR_0^3}{\rho_a}} =2.56\times10^{-7}\ \mathrm C }. \] Ohne Linearisierung der Ausdehnung lautet das Ergebnis in der Dünnfilmnäherung \[ \boxed{ |q|= \sqrt{\frac{96\pi^2\varepsilon_0P_a\rho_stR_0^3}{\rho_a}} \left(1+\frac{3\rho_st}{\rho_aR_0}\right)^{1/6} =2.57\times10^{-7}\ \mathrm C }. \]
Lösung
Wir behandeln die Luft als ideales Gas mit derselben Zusammensetzung im Inneren und außerhalb der Blase. In der Dünnfilmnäherung sind das Blasenvolumen und die Seifenmasse gegeben durch \[ V=\frac43\pi R^3, \qquad m_s\simeq4\pi R^2t\rho_s. \] Der Film besitzt zwei Seife-Luft-Grenzflächen, seine Masse entspricht jedoch der einer einzigen Kugelschale.
2.1
Beide Grenzflächen tragen zur Oberflächenenergie bei. Vernachlässigt man den kleinen Unterschied ihrer Radien, gilt \[ E_s=2\gamma(4\pi R^2)=8\pi\gamma R^2. \] Für eine kleine Verschiebung \(dR\) nach außen erfordert das mechanische Gleichgewicht \[ (P_i-P_a)\,dV=dE_s. \] Wegen \[ dV=4\pi R^2\,dR, \qquad dE_s=16\pi\gamma R\,dR, \] beträgt der Überdruck im Inneren \[ P_i-P_a=\frac{4\gamma}{R_0}. \]
Die ideale Gasgleichung \(P=\rho\mathcal R_{\rm air}T\) mit derselben spezifischen Gaskonstante auf beiden Seiten liefert \[ \boxed{ \frac{\rho_iT_i}{\rho_aT_a} =\frac{P_i}{P_a} =1+\frac{4\gamma}{P_aR_0} }. \]
2.2
Mit \(R_0=1.00\times10^{-2}\ \mathrm m\) gilt \[ P_i-P_a =\frac{4(0.0250)}{1.00\times10^{-2}} =10.0\ \mathrm{Pa}. \] Somit ergibt sich \[ \boxed{ \frac{\rho_iT_i}{\rho_aT_a}-1 =\frac{10.0}{1.013\times10^5} =9.87\times10^{-5} }. \]
2.3
Die nach oben gerichtete Auftriebskraft ist gleich der Gewichtskraft der verdrängten Umgebungsluft: \[ F_B=\rho_aV_0g, \qquad V_0=\frac43\pi R_0^3. \] Bei der niedrigsten Temperatur, die ein Schweben ermöglicht, gleicht die Auftriebskraft gerade die gesamte Gewichtskraft der eingeschlossenen Luft und der Seife aus: \[ \rho_aV_0g=\rho_iV_0g+4\pi R_0^2t\rho_sg. \] Daher gilt \[ \rho_i=\rho_a-\frac{3\rho_st}{R_0}. \] Numerisch ergibt sich \[ \frac{3\rho_st}{R_0} =\frac{3(1000)(1.00\times10^{-7})}{1.00\times10^{-2}} =0.0300\ \mathrm{kg\,m^{-3}}, \] sodass für ein Schweben gelten muss: \[ \rho_i=1.27\ \mathrm{kg\,m^{-3}}. \]
Mit Teil 2.1 folgt \[ T_{i,\min} =\frac{\rho_aT_a}{\rho_i} \left(1+\frac{4\gamma}{P_aR_0}\right) =T_a \frac{1+\dfrac{4\gamma}{P_aR_0}} {1-\dfrac{3\rho_st}{\rho_aR_0}}. \] Folglich ist \[ T_{i,\min} =300\frac{1+9.8717\times10^{-5}}{1-0.0300/1.30} =307.117\ \mathrm K, \] also \[ \boxed{T_{i,\min}=307\ \mathrm K}. \] Eine höhere Temperatur führt zu einer geringeren Luftdichte im Inneren und damit zu einer nach oben gerichteten resultierenden Kraft.
2.4
Im thermischen Gleichgewicht gilt \(T_i=T_a\). Teil 2.1 liefert dann \[ \rho_i-\rho_a=\rho_a\frac{4\gamma}{P_aR_0}. \]
Bei einer ruhenden Blase muss die nach oben gerichtete Stokes'sche Widerstandskraft die Differenz aus Gewichtskraft und Auftriebskraft ausgleichen: \[ 6\pi\eta R_0u_{\min} = 4\pi R_0^2t\rho_sg +\frac43\pi R_0^3(\rho_i-\rho_a)g. \] Unter Berücksichtigung der Oberflächenspannung ergibt sich daher \[ u_{\min} = \frac{2\rho_sR_0tg}{3\eta} +\frac{8\rho_a\gamma R_0g}{9\eta P_a}. \]
Das Verhältnis des zweiten Terms zum ersten beträgt \[ \frac{4\rho_a\gamma}{3P_a\rho_st} =4.28\times10^{-3}. \] Die Oberflächenspannung ändert die erforderliche Geschwindigkeit somit nur um etwa \(0.43\%\). Vernachlässigt man diese Korrektur, erhält man den Ausdruck in den geforderten Parametern: \[ \boxed{u_{\min}\simeq\frac{2\rho_sR_0tg}{3\eta}}. \]
Hierbei werden das vorgegebene Stokes'sche Widerstandsgesetz und die Anweisung verwendet, die Radiusänderung beim Abkühlen zu vernachlässigen.
2.5
Einsetzen der gegebenen Werte liefert \[ u_{\min}\simeq \frac{2(1000)(1.00\times10^{-2})(1.00\times10^{-7})(9.80)} {3(1.8\times10^{-5})} =0.362963\ \mathrm{m\,s^{-1}}. \] Daher gilt \[ \boxed{u_{\min}\simeq0.36\ \mathrm{m\,s^{-1}}}. \] Unter Berücksichtigung der Oberflächenspannung ergibt sich \(0.364516\ \mathrm{m\,s^{-1}}\), was auf zwei signifikante Stellen gerundet dasselbe Ergebnis liefert.
2.6
Wir vernachlässigen nun wie vorgegeben die Oberflächenspannung. Vor dem Aufladen hat die Blase die Temperatur \(T_a\) und den Innendruck \(P_a\). Die eingeschlossene Luftmasse bleibt erhalten, und auch der Endzustand hat die Temperatur \(T_a\). Die ideale Gasgleichung liefert daher \[ P_iV_1=P_aV_0, \qquad P_i=P_a\frac{R_0^3}{R_1^3}. \]
Eine gleichmäßig geladene Kugelschale erzeugt das elektrische Feld \[ E(r)=\frac{q}{4\pi\varepsilon_0r^2} \quad (r>R), \] während das Feld im Inneren null ist. Ihre elektrostatische Energie beträgt \[ U_e=\frac{\varepsilon_0}{2}\int_R^\infty E(r)^2\,4\pi r^2\,dr =\frac{q^2}{8\pi\varepsilon_0R}. \] Bei konstanter Ladung verringert eine Vergrößerung des Radius diese Energie. Der zugehörige nach außen gerichtete elektrische Druck beträgt \[ p_e=-\frac{dU_e}{dV} =-\frac{dU_e/dR}{4\pi R^2} =\frac{q^2}{32\pi^2\varepsilon_0R^4}. \]
Das mechanische Gleichgewicht erfordert \[ P_i+p_e=P_a. \] Bei \(R=R_1\) gilt \[ P_a\frac{R_0^3}{R_1^3} +\frac{q^2}{32\pi^2\varepsilon_0R_1^4} =P_a. \] Multiplikation mit \(R_1^4/P_a\) liefert \[ \boxed{ R_1^4-R_0^3R_1-\frac{q^2}{32\pi^2\varepsilon_0P_a}=0 }. \] Für eine von null verschiedene Ladung gilt für die physikalische Lösung \(R_1>R_0\).
2.7
Es sei \[ x=\frac{\Delta R}{R_0}\ll1, \qquad R_1=R_0(1+x). \] Die Gleichung aus Teil 2.6 wird damit zu \[ R_0^4\big[(1+x)^4-(1+x)\big] =\frac{q^2}{32\pi^2\varepsilon_0P_a}. \] In erster Ordnung gilt \[ (1+x)^4-(1+x)\simeq(1+4x)-(1+x)=3x. \] Somit ist \[ 3R_0^4x=\frac{q^2}{32\pi^2\varepsilon_0P_a}, \] und es folgt \[ \boxed{ \Delta R\simeq\frac{q^2}{96\pi^2\varepsilon_0P_aR_0^3} }. \]
2.8
Durch das Aufladen nimmt das verdrängte Luftvolumen zu, während die Gesamtmasse der Blase unverändert bleibt.
Vor dem Aufladen ist die Luftdichte im Inneren gleich \(\rho_a\), da die Oberflächenspannung nun vernachlässigt wird und sowohl Druck als auch Temperatur der eingeschlossenen Luft den Umgebungswerten entsprechen. Ihre Masse beträgt daher \[ m_i=\rho_aV_0. \] Die erhalten bleibende Seifenmasse beträgt \[ m_s=4\pi R_0^2t\rho_s. \] Dabei ist \(t\) die ursprüngliche Dicke; der Film wird bei seiner Ausdehnung dünner.
Für ein Schweben nach dem Aufladen muss gelten: \[ \rho_aV_1g=(\rho_aV_0+m_s)g. \] Daraus folgt \[ \rho_a\frac43\pi(R_1^3-R_0^3) =4\pi R_0^2t\rho_s, \] also \[ R_1^3-R_0^3=\frac{3\rho_stR_0^2}{\rho_a}. \]
Für eine kleine Ausdehnung gilt \[ R_1^3-R_0^3\simeq3R_0^2\Delta R, \] sodass die erforderliche Radiuszunahme beträgt: \[ \Delta R\simeq\frac{\rho_st}{\rho_a}. \] Numerisch ergibt sich \[ \Delta R\simeq \frac{1000(1.00\times10^{-7})}{1.30} =7.69\times10^{-5}\ \mathrm m, \qquad \frac{\Delta R}{R_0}\simeq0.00769. \]
Gleichsetzen dieser Zunahme mit dem Ergebnis aus Teil 2.7 liefert \[ \frac{q^2}{96\pi^2\varepsilon_0P_aR_0^3} =\frac{\rho_st}{\rho_a}, \] und damit \[ \boxed{ |q|\simeq \sqrt{\frac{96\pi^2\varepsilon_0P_a\rho_stR_0^3}{\rho_a}} }. \] Einsetzen ergibt \[ |q|\simeq \sqrt{ \frac{ 96\pi^2(8.85\times10^{-12})(1.013\times10^5) (1000)(1.00\times10^{-7})(1.00\times10^{-2})^3 }{1.30} }, \] also \[ \boxed{|q|\simeq2.56\times10^{-7}\ \mathrm C=0.256\ \mu\mathrm C}. \]
Das Ergebnis lässt sich auch ohne Linearisierung der Ausdehnung herleiten. Die Schwebebedingung liefert \[ R_1=R_0\left(1+\frac{3\rho_st}{\rho_aR_0}\right)^{1/3}. \] Zusammen mit Teil 2.6 ergibt sich \[ q^2 =32\pi^2\varepsilon_0P_aR_1(R_1^3-R_0^3) =\frac{96\pi^2\varepsilon_0P_a\rho_stR_0^2R_1}{\rho_a}. \] Somit lautet das Ergebnis in der Dünnfilmnäherung ohne Reihenentwicklung \[ \boxed{ |q|= \sqrt{\frac{96\pi^2\varepsilon_0P_a\rho_stR_0^3}{\rho_a}} \left(1+\frac{3\rho_st}{\rho_aR_0}\right)^{1/6} =2.57\times10^{-7}\ \mathrm C }. \] Beide Vorzeichen der Ladung führen zur gleichen Ausdehnung, da der elektrische Druck von \(q^2\) abhängt.
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen.
IPhO 2011 · Teori sorusu 2
Elektrikle Yüklenmiş Bir Sabun Köpüğü
İçindeki havanın yoğunluğu \(\rho_i\), sıcaklığı \(T_i\) ve yarıçapı \(R_0\) olan küresel bir sabun köpüğü, yoğunluğu \(\rho_a\), atmosfer basıncı \(P_a\) ve sıcaklığı \(T_a\) olan havayla çevrilidir. Sabun zarının yüzey gerilimi \(\gamma\), yoğunluğu \(\rho_s\) ve kalınlığı \(t\)'dir. Sabunun kütlesi ve yüzey gerilimi sıcaklıkla değişmez. \(R_0\gg t\) olduğunu varsayın.
Bir sabun-hava ara yüzeyinin alanını \(dA\) kadar artırmak için gereken enerji artışı \(dE\), \(dE=\gamma\,dA\) bağıntısıyla verilir; burada \(\gamma\), zarın yüzey gerilimidir.
2.1 \(\dfrac{\rho_iT_i}{\rho_aT_a}\) oranını \(\gamma\), \(P_a\) ve \(R_0\) cinsinden bulun. [1.7 puan]
2.2 \(\gamma=0.0250\ \mathrm{N\,m^{-1}}\), \(R_0=1.00\ \mathrm{cm}\) ve \(P_a=1.013\times10^5\ \mathrm{N\,m^{-2}}\) değerlerini kullanarak \(\dfrac{\rho_iT_i}{\rho_aT_a}-1\) ifadesinin sayısal değerini bulun. [0.4 puan]
2.3 Köpük başlangıçta, içinde daha sıcak hava olacak şekilde oluşturulmuştur. Köpüğün durgun havada asılı kalabilmesi için \(T_i\)'nin alması gereken en küçük sayısal değeri bulun. \(T_a=300\ \mathrm K\), \(\rho_s=1000\ \mathrm{kg\,m^{-3}}\), \(\rho_a=1.30\ \mathrm{kg\,m^{-3}}\), \(t=100\ \mathrm{nm}\) ve \(g=9.80\ \mathrm{m\,s^{-2}}\) değerlerini kullanın. [2.0 puan]
Köpük, oluşumundan bir süre sonra çevresiyle ısıl dengeye ulaşacaktır. Durgun havadaki bu köpük doğal olarak yere doğru düşecektir.
2.4 Isıl dengedeki köpüğün düşmesini önleyecek yukarı yönlü bir hava akımının (yukarı doğru akan havanın) en küçük \(u\) hızını bulun. Yanıtınızı \(\rho_s\), \(R_0\), \(g\), \(t\) ve havanın viskozite katsayısı \(\eta\) cinsinden verin. Hızın, Stokes yasasının geçerli olacağı kadar küçük olduğunu varsayabilir ve sıcaklık denge değerine düşerken yarıçapta meydana gelen değişimi ihmal edebilirsiniz. Stokes yasasına göre sürükleme kuvveti \(F=6\pi\eta R_0u\)'dur. [1.6 puan]
2.5 \(\eta=1.8\times10^{-5}\ \mathrm{kg\,m^{-1}\,s^{-1}}\) değerini kullanarak \(u\)'nun sayısal değerini hesaplayın. [0.4 puan]
Yukarıdaki hesaplamalar, yüzey gerilimi \(\gamma\)'yı içeren terimlerin sonucun doğruluğuna çok az katkı sağladığını göstermektedir. Aşağıdaki soruların tümünde yüzey gerilimi terimlerini ihmal edebilirsiniz.
2.6 Bu küresel köpük şimdi, toplam yükü \(q\) olacak şekilde düzgün olarak elektrikle yüklenirse, yeni yarıçap \(R_1\)'i \(R_0,P_a,q\) ve boşluğun elektriksel geçirgenliği \(\varepsilon_0\) cinsinden tanımlayan bir denklem bulun. [2.0 puan]
2.7 Toplam yükün çok büyük olmadığını (yani \(\dfrac{q^2}{\varepsilon_0R_0^4}\ll P_a\) olduğunu) ve köpüğün yarıçapında yalnızca küçük bir artış meydana geldiğini varsayarak, \(R_1=R_0+\Delta R\) eşitliğindeki \(\Delta R\)'yi bulun.
\(x\ll1\) için \((1+x)^n\approx1+nx\) olduğu verilmiştir. [0.7 puan]
2.8 Köpüğün durgun havada hareketsiz olarak asılı kalabilmesi için bu \(q\) yükünün büyüklüğü \(t,\rho_a,\rho_s,\varepsilon_0,R_0,P_a\) cinsinden ne olmalıdır? \(q\)'nun sayısal değerini de hesaplayın. Boşluğun elektriksel geçirgenliği \(\varepsilon_0=8.85\times10^{-12}\ \mathrm{farad/m}\)'dir. [1.2 puan]
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
-
2.1 \[ \boxed{\frac{\rho_iT_i}{\rho_aT_a}=1+\frac{4\gamma}{P_aR_0}}. \]
-
2.2 \[ \boxed{\frac{\rho_iT_i}{\rho_aT_a}-1=9.87\times10^{-5}}. \]
-
2.3 \[ \boxed{ T_{i,\min} =T_a\frac{1+\dfrac{4\gamma}{P_aR_0}} {1-\dfrac{3\rho_st}{\rho_aR_0}} =307\ \mathrm K }. \]
-
2.4, yüzey geriliminden kaynaklanan küçük düzeltme ihmal edildiğinde: \[ \boxed{u_{\min}\simeq\frac{2\rho_sR_0tg}{3\eta}}. \]
-
2.5 \[ \boxed{u_{\min}\simeq0.36\ \mathrm{m\,s^{-1}}}. \]
-
2.6 \[ \boxed{R_1^4-R_0^3R_1-\frac{q^2}{32\pi^2\varepsilon_0P_a}=0}, \qquad R_1\ge R_0. \]
-
2.7 \[ \boxed{\Delta R\simeq\frac{q^2}{96\pi^2\varepsilon_0P_aR_0^3}}. \]
-
2.8, küçük genleşme yaklaşımı kullanıldığında: \[ \boxed{ |q|\simeq \sqrt{\frac{96\pi^2\varepsilon_0P_a\rho_stR_0^3}{\rho_a}} =2.56\times10^{-7}\ \mathrm C }. \] Genleşme doğrusallaştırılmadan elde edilen ince zar sonucu şöyledir: \[ \boxed{ |q|= \sqrt{\frac{96\pi^2\varepsilon_0P_a\rho_stR_0^3}{\rho_a}} \left(1+\frac{3\rho_st}{\rho_aR_0}\right)^{1/6} =2.57\times10^{-7}\ \mathrm C }. \]
Çözüm
Havayı, içeride ve dışarıda aynı bileşime sahip bir ideal gaz olarak ele alıyoruz. İnce zar yaklaşımında köpüğün hacmi ve sabunun kütlesi şöyledir: \[ V=\frac43\pi R^3, \qquad m_s\simeq4\pi R^2t\rho_s. \] Zarın iki sabun-hava ara yüzeyi vardır, ancak kütlesi tek bir kabuğun kütlesidir.
2.1
Her iki ara yüzey de yüzey enerjisine katkıda bulunur. Yarıçapları arasındaki küçük fark ihmal edildiğinde, \[ E_s=2\gamma(4\pi R^2)=8\pi\gamma R^2. \] Dışarı doğru küçük bir \(dR\) yer değiştirmesi için mekanik denge şu koşulu gerektirir: \[ (P_i-P_a)\,dV=dE_s. \] \[ dV=4\pi R^2\,dR, \qquad dE_s=16\pi\gamma R\,dR, \] olduğundan, iç basıncın dış basınca göre fazlalığı şöyledir: \[ P_i-P_a=\frac{4\gamma}{R_0}. \]
Her iki tarafta da özgül gaz sabitinin aynı olduğu \(P=\rho\mathcal R_{\rm air}T\) ideal gaz bağıntısı şu sonucu verir: \[ \boxed{ \frac{\rho_iT_i}{\rho_aT_a} =\frac{P_i}{P_a} =1+\frac{4\gamma}{P_aR_0} }. \]
2.2
\(R_0=1.00\times10^{-2}\ \mathrm m\) için, \[ P_i-P_a =\frac{4(0.0250)}{1.00\times10^{-2}} =10.0\ \mathrm{Pa}. \] Böylece, \[ \boxed{ \frac{\rho_iT_i}{\rho_aT_a}-1 =\frac{10.0}{1.013\times10^5} =9.87\times10^{-5} }. \]
2.3
Yukarı yönlü kaldırma kuvveti, yer değiştirilen çevre havasının ağırlığına eşittir: \[ F_B=\rho_aV_0g, \qquad V_0=\frac43\pi R_0^3. \] Havada asılı kalmayı sağlayan en düşük sıcaklıkta kaldırma kuvveti, içerideki hava ile sabunun toplam ağırlığını tam olarak dengeler: \[ \rho_aV_0g=\rho_iV_0g+4\pi R_0^2t\rho_sg. \] Dolayısıyla, \[ \rho_i=\rho_a-\frac{3\rho_st}{R_0}. \] Sayısal olarak, \[ \frac{3\rho_st}{R_0} =\frac{3(1000)(1.00\times10^{-7})}{1.00\times10^{-2}} =0.0300\ \mathrm{kg\,m^{-3}}, \] olduğundan, nötr yüzebilirlik koşulu şunu gerektirir: \[ \rho_i=1.27\ \mathrm{kg\,m^{-3}}. \]
2.1 kısmındaki sonuç kullanıldığında, \[ T_{i,\min} =\frac{\rho_aT_a}{\rho_i} \left(1+\frac{4\gamma}{P_aR_0}\right) =T_a \frac{1+\dfrac{4\gamma}{P_aR_0}} {1-\dfrac{3\rho_st}{\rho_aR_0}}. \] Bunun sonucunda, \[ T_{i,\min} =300\frac{1+9.8717\times10^{-5}}{1-0.0300/1.30} =307.117\ \mathrm K, \] ya da \[ \boxed{T_{i,\min}=307\ \mathrm K}. \] Daha yüksek bir sıcaklık, içerideki havanın yoğunluğunu düşürür ve dolayısıyla yukarı yönlü bir net kuvvet oluşturur.
2.4
Isıl dengede \(T_i=T_a\)'dır. Bu durumda 2.1 kısmındaki sonuç şunu verir: \[ \rho_i-\rho_a=\rho_a\frac{4\gamma}{P_aR_0}. \]
Hareketsiz bir köpük için yukarı yönlü Stokes sürükleme kuvveti, ağırlık ile kaldırma kuvvetinin farkını dengelemelidir: \[ 6\pi\eta R_0u_{\min} = 4\pi R_0^2t\rho_sg +\frac43\pi R_0^3(\rho_i-\rho_a)g. \] Dolayısıyla, yüzey gerilimi hesaba katıldığında, \[ u_{\min} = \frac{2\rho_sR_0tg}{3\eta} +\frac{8\rho_a\gamma R_0g}{9\eta P_a}. \]
İkinci terimin birinci terime oranı şöyledir: \[ \frac{4\rho_a\gamma}{3P_a\rho_st} =4.28\times10^{-3}. \] Böylece yüzey gerilimi, gereken hızı yalnızca yaklaşık \(0.43\%\) kadar değiştirir. Bu düzeltme ihmal edildiğinde, istenen parametreler cinsinden şu ifade elde edilir: \[ \boxed{u_{\min}\simeq\frac{2\rho_sR_0tg}{3\eta}}. \]
Burada, soruda belirtilen Stokes sürükleme yasası ve soğuma sırasında yarıçap değişiminin ihmal edilmesi yönündeki talimat kullanılmıştır.
2.5
Verilen değerler yerine konulduğunda, \[ u_{\min}\simeq \frac{2(1000)(1.00\times10^{-2})(1.00\times10^{-7})(9.80)} {3(1.8\times10^{-5})} =0.362963\ \mathrm{m\,s^{-1}}. \] Dolayısıyla, \[ \boxed{u_{\min}\simeq0.36\ \mathrm{m\,s^{-1}}}. \] Yüzey gerilimi hesaba katıldığında \(0.364516\ \mathrm{m\,s^{-1}}\) elde edilir; bu değer iki anlamlı basamağa yuvarlandığında aynı sonucu verir.
2.6
Şimdi, belirtildiği üzere yüzey gerilimini ihmal ediyoruz. Yüklenmeden önce köpüğün sıcaklığı \(T_a\), iç basıncı ise \(P_a\)'dır. İçerideki havanın kütlesi korunur ve son durumda sıcaklık yine \(T_a\)'dır. Dolayısıyla ideal gaz yasası şu sonucu verir: \[ P_iV_1=P_aV_0, \qquad P_i=P_a\frac{R_0^3}{R_1^3}. \]
Düzgün yüklü küresel bir kabuğun elektrik alanı \[ E(r)=\frac{q}{4\pi\varepsilon_0r^2} \quad (r>R), \] olup içerideki alan sıfırdır. Elektrostatik enerjisi şöyledir: \[ U_e=\frac{\varepsilon_0}{2}\int_R^\infty E(r)^2\,4\pi r^2\,dr =\frac{q^2}{8\pi\varepsilon_0R}. \] Yük sabitken yarıçapın artması bu enerjiyi azaltır. Buna karşılık gelen dışarı yönlü elektriksel basınç şöyledir: \[ p_e=-\frac{dU_e}{dV} =-\frac{dU_e/dR}{4\pi R^2} =\frac{q^2}{32\pi^2\varepsilon_0R^4}. \]
Mekanik denge şu koşulu gerektirir: \[ P_i+p_e=P_a. \] \(R=R_1\) için, \[ P_a\frac{R_0^3}{R_1^3} +\frac{q^2}{32\pi^2\varepsilon_0R_1^4} =P_a. \] \(R_1^4/P_a\) ile çarpıldığında, \[ \boxed{ R_1^4-R_0^3R_1-\frac{q^2}{32\pi^2\varepsilon_0P_a}=0 }. \] Sıfırdan farklı bir yük için fiziksel çözüm \(R_1>R_0\) koşulunu sağlar.
2.7
Şöyle tanımlayalım: \[ x=\frac{\Delta R}{R_0}\ll1, \qquad R_1=R_0(1+x). \] 2.6 kısmındaki denklem şu hâle gelir: \[ R_0^4\big[(1+x)^4-(1+x)\big] =\frac{q^2}{32\pi^2\varepsilon_0P_a}. \] Birinci mertebeye kadar, \[ (1+x)^4-(1+x)\simeq(1+4x)-(1+x)=3x. \] Böylece, \[ 3R_0^4x=\frac{q^2}{32\pi^2\varepsilon_0P_a}, \] ve \[ \boxed{ \Delta R\simeq\frac{q^2}{96\pi^2\varepsilon_0P_aR_0^3} }. \]
2.8
Yükleme, köpüğün toplam kütlesini değiştirmeden yer değiştirilen havanın hacmini artırır.
Yüklenmeden önce içerideki havanın yoğunluğu \(\rho_a\)'ya eşittir; çünkü artık yüzey gerilimi ihmal edilmektedir ve hem basıncı hem de sıcaklığı çevredeki değerlerle aynıdır. Dolayısıyla kütlesi şöyledir: \[ m_i=\rho_aV_0. \] Korunan sabun kütlesi şöyledir: \[ m_s=4\pi R_0^2t\rho_s. \] Burada \(t\) başlangıçtaki kalınlıktır; zar genleştikçe incelir.
Yükleme sonrasında nötr yüzebilirlik şu koşulu gerektirir: \[ \rho_aV_1g=(\rho_aV_0+m_s)g. \] Buradan, \[ \rho_a\frac43\pi(R_1^3-R_0^3) =4\pi R_0^2t\rho_s, \] ya da \[ R_1^3-R_0^3=\frac{3\rho_stR_0^2}{\rho_a}. \]
Küçük bir genleşme için, \[ R_1^3-R_0^3\simeq3R_0^2\Delta R, \] olduğundan, gereken yarıçap artışı şöyledir: \[ \Delta R\simeq\frac{\rho_st}{\rho_a}. \] Sayısal olarak, \[ \Delta R\simeq \frac{1000(1.00\times10^{-7})}{1.30} =7.69\times10^{-5}\ \mathrm m, \qquad \frac{\Delta R}{R_0}\simeq0.00769. \]
Bu artış, 2.7 kısmındaki sonuca eşitlendiğinde, \[ \frac{q^2}{96\pi^2\varepsilon_0P_aR_0^3} =\frac{\rho_st}{\rho_a}, \] ve dolayısıyla \[ \boxed{ |q|\simeq \sqrt{\frac{96\pi^2\varepsilon_0P_a\rho_stR_0^3}{\rho_a}} }. \] Değerler yerine konulduğunda, \[ |q|\simeq \sqrt{ \frac{ 96\pi^2(8.85\times10^{-12})(1.013\times10^5) (1000)(1.00\times10^{-7})(1.00\times10^{-2})^3 }{1.30} }, \] böylece \[ \boxed{|q|\simeq2.56\times10^{-7}\ \mathrm C=0.256\ \mu\mathrm C}. \]
Sonuç, genleşme doğrusallaştırılmadan da elde edilebilir. Nötr yüzebilirlik şu sonucu verir: \[ R_1=R_0\left(1+\frac{3\rho_st}{\rho_aR_0}\right)^{1/3}. \] Bu sonuç 2.6 kısmındaki sonuçla birleştirildiğinde, \[ q^2 =32\pi^2\varepsilon_0P_aR_1(R_1^3-R_0^3) =\frac{96\pi^2\varepsilon_0P_a\rho_stR_0^2R_1}{\rho_a}. \] Böylece, açılım yapılmadan elde edilen ince zar sonucu şöyledir: \[ \boxed{ |q|= \sqrt{\frac{96\pi^2\varepsilon_0P_a\rho_stR_0^3}{\rho_a}} \left(1+\frac{3\rho_st}{\rho_aR_0}\right)^{1/6} =2.57\times10^{-7}\ \mathrm C }. \] Elektriksel basınç \(q^2\)'ye bağlı olduğundan, yükün her iki işareti de aynı genleşmeyi oluşturur.
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IPhO 2011 · Problema teórico 2
Una burbuja de jabón electrizada
Una burbuja esférica de jabón que contiene aire de densidad \(\rho_i\) y temperatura \(T_i\), y cuyo radio es \(R_0\), está rodeada de aire de densidad \(\rho_a\), presión atmosférica \(P_a\) y temperatura \(T_a\). La película de jabón tiene tensión superficial \(\gamma\), densidad \(\rho_s\) y espesor \(t\). La masa y la tensión superficial del jabón no varían con la temperatura. Suponga que \(R_0\gg t\).
El incremento de energía, \(dE\), necesario para aumentar en \(dA\) el área de una interfaz jabón-aire viene dado por \(dE=\gamma\,dA\), donde \(\gamma\) es la tensión superficial de la película.
2.1 Halle el cociente \(\dfrac{\rho_iT_i}{\rho_aT_a}\) en función de \(\gamma\), \(P_a\) y \(R_0\). [1.7 puntos]
2.2 Halle el valor numérico de \(\dfrac{\rho_iT_i}{\rho_aT_a}-1\) utilizando \(\gamma=0.0250\ \mathrm{N\,m^{-1}}\), \(R_0=1.00\ \mathrm{cm}\) y \(P_a=1.013\times10^5\ \mathrm{N\,m^{-2}}\). [0.4 puntos]
2.3 La burbuja se forma inicialmente con aire más caliente en su interior. Halle el valor numérico mínimo de \(T_i\) para que la burbuja pueda flotar en aire en reposo. Utilice \(T_a=300\ \mathrm K\), \(\rho_s=1000\ \mathrm{kg\,m^{-3}}\), \(\rho_a=1.30\ \mathrm{kg\,m^{-3}}\), \(t=100\ \mathrm{nm}\) y \(g=9.80\ \mathrm{m\,s^{-2}}\). [2.0 puntos]
Transcurrido cierto tiempo desde su formación, la burbuja estará en equilibrio térmico con el entorno. En aire en reposo, esta burbuja caerá de forma natural hacia el suelo.
2.4 Halle la velocidad mínima \(u\) de una corriente ascendente (aire que fluye hacia arriba) que impida que la burbuja caiga cuando se encuentre en equilibrio térmico. Exprese su respuesta en función de \(\rho_s\), \(R_0\), \(g\), \(t\) y el coeficiente de viscosidad del aire \(\eta\). Puede suponer que la velocidad es lo suficientemente pequeña como para que se cumpla la ley de Stokes, y despreciar la variación del radio cuando la temperatura desciende hasta alcanzar el equilibrio. La fuerza de arrastre según la ley de Stokes es \(F=6\pi\eta R_0u\). [1.6 puntos]
2.5 Calcule el valor numérico de \(u\) utilizando \(\eta=1.8\times10^{-5}\ \mathrm{kg\,m^{-1}\,s^{-1}}\). [0.4 puntos]
Los cálculos anteriores sugieren que los términos que contienen la tensión superficial \(\gamma\) contribuyen muy poco a la precisión del resultado. En todas las preguntas siguientes, puede despreciar los términos de tensión superficial.
2.6 Si ahora esta burbuja esférica se electriza uniformemente con una carga total \(q\), halle una ecuación que describa el nuevo radio \(R_1\) en función de \(R_0,P_a,q\) y la permitividad del vacío \(\varepsilon_0\). [2.0 puntos]
2.7 Suponga que la carga total no es demasiado grande (es decir, \(\dfrac{q^2}{\varepsilon_0R_0^4}\ll P_a\)) y que el radio de la burbuja solo experimenta un pequeño aumento; halle \(\Delta R\), donde \(R_1=R_0+\Delta R\).
Se da que \((1+x)^n\approx1+nx\), donde \(x\ll1\). [0.7 puntos]
2.8 ¿Cuál debe ser el módulo de esta carga \(q\), en función de \(t,\rho_a,\rho_s,\varepsilon_0,R_0,P_a\), para que la burbuja flote inmóvil en aire en reposo? Calcule también el valor numérico de \(q\). La permitividad del vacío es \(\varepsilon_0=8.85\times10^{-12}\ \mathrm{farad/m}\). [1.2 puntos]
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
-
2.1 \[ \boxed{\frac{\rho_iT_i}{\rho_aT_a}=1+\frac{4\gamma}{P_aR_0}}. \]
-
2.2 \[ \boxed{\frac{\rho_iT_i}{\rho_aT_a}-1=9.87\times10^{-5}}. \]
-
2.3 \[ \boxed{ T_{i,\min} =T_a\frac{1+\dfrac{4\gamma}{P_aR_0}} {1-\dfrac{3\rho_st}{\rho_aR_0}} =307\ \mathrm K }. \]
-
2.4, despreciando la pequeña corrección debida a la tensión superficial: \[ \boxed{u_{\min}\simeq\frac{2\rho_sR_0tg}{3\eta}}. \]
-
2.5 \[ \boxed{u_{\min}\simeq0.36\ \mathrm{m\,s^{-1}}}. \]
-
2.6 \[ \boxed{R_1^4-R_0^3R_1-\frac{q^2}{32\pi^2\varepsilon_0P_a}=0}, \qquad R_1\ge R_0. \]
-
2.7 \[ \boxed{\Delta R\simeq\frac{q^2}{96\pi^2\varepsilon_0P_aR_0^3}}. \]
-
2.8, utilizando la aproximación de expansión pequeña: \[ \boxed{ |q|\simeq \sqrt{\frac{96\pi^2\varepsilon_0P_a\rho_stR_0^3}{\rho_a}} =2.56\times10^{-7}\ \mathrm C }. \] Sin linealizar la expansión, el resultado en la aproximación de película delgada es \[ \boxed{ |q|= \sqrt{\frac{96\pi^2\varepsilon_0P_a\rho_stR_0^3}{\rho_a}} \left(1+\frac{3\rho_st}{\rho_aR_0}\right)^{1/6} =2.57\times10^{-7}\ \mathrm C }. \]
Solución
Tratamos el aire como un gas ideal con la misma composición en el interior y en el exterior. En la aproximación de película delgada, el volumen de la burbuja y la masa de jabón son \[ V=\frac43\pi R^3, \qquad m_s\simeq4\pi R^2t\rho_s. \] La película tiene dos interfaces jabón-aire, pero su masa es la de una sola capa esférica.
2.1
Ambas interfaces contribuyen a la energía superficial. Despreciando la pequeña diferencia entre sus radios, \[ E_s=2\gamma(4\pi R^2)=8\pi\gamma R^2. \] Para un pequeño desplazamiento hacia fuera \(dR\), el equilibrio mecánico exige \[ (P_i-P_a)\,dV=dE_s. \] Como \[ dV=4\pi R^2\,dR, \qquad dE_s=16\pi\gamma R\,dR, \] el exceso de presión interna es \[ P_i-P_a=\frac{4\gamma}{R_0}. \]
La relación del gas ideal \(P=\rho\mathcal R_{\rm air}T\), con la misma constante específica del gas a ambos lados, da \[ \boxed{ \frac{\rho_iT_i}{\rho_aT_a} =\frac{P_i}{P_a} =1+\frac{4\gamma}{P_aR_0} }. \]
2.2
Con \(R_0=1.00\times10^{-2}\ \mathrm m\), \[ P_i-P_a =\frac{4(0.0250)}{1.00\times10^{-2}} =10.0\ \mathrm{Pa}. \] Por tanto, \[ \boxed{ \frac{\rho_iT_i}{\rho_aT_a}-1 =\frac{10.0}{1.013\times10^5} =9.87\times10^{-5} }. \]
2.3
La fuerza de empuje ascendente es igual al peso del aire ambiente desplazado: \[ F_B=\rho_aV_0g, \qquad V_0=\frac43\pi R_0^3. \] A la temperatura mínima que permite la flotación, el empuje equilibra exactamente el peso conjunto del aire interior y del jabón: \[ \rho_aV_0g=\rho_iV_0g+4\pi R_0^2t\rho_sg. \] Por lo tanto, \[ \rho_i=\rho_a-\frac{3\rho_st}{R_0}. \] Numéricamente, \[ \frac{3\rho_st}{R_0} =\frac{3(1000)(1.00\times10^{-7})}{1.00\times10^{-2}} =0.0300\ \mathrm{kg\,m^{-3}}, \] de modo que la flotación neutra requiere \[ \rho_i=1.27\ \mathrm{kg\,m^{-3}}. \]
Utilizando el apartado 2.1, \[ T_{i,\min} =\frac{\rho_aT_a}{\rho_i} \left(1+\frac{4\gamma}{P_aR_0}\right) =T_a \frac{1+\dfrac{4\gamma}{P_aR_0}} {1-\dfrac{3\rho_st}{\rho_aR_0}}. \] En consecuencia, \[ T_{i,\min} =300\frac{1+9.8717\times10^{-5}}{1-0.0300/1.30} =307.117\ \mathrm K, \] o bien \[ \boxed{T_{i,\min}=307\ \mathrm K}. \] Una temperatura mayor produce una menor densidad del aire interior y, por tanto, una fuerza neta ascendente.
2.4
En equilibrio térmico, \(T_i=T_a\). El apartado 2.1 da entonces \[ \rho_i-\rho_a=\rho_a\frac{4\gamma}{P_aR_0}. \]
Para una burbuja inmóvil, la fuerza de arrastre ascendente de Stokes debe equilibrar su peso menos el empuje: \[ 6\pi\eta R_0u_{\min} = 4\pi R_0^2t\rho_sg +\frac43\pi R_0^3(\rho_i-\rho_a)g. \] Por consiguiente, conservando la tensión superficial, \[ u_{\min} = \frac{2\rho_sR_0tg}{3\eta} +\frac{8\rho_a\gamma R_0g}{9\eta P_a}. \]
El cociente entre el segundo término y el primero es \[ \frac{4\rho_a\gamma}{3P_a\rho_st} =4.28\times10^{-3}. \] Así pues, la tensión superficial modifica la velocidad necesaria en tan solo un \(0.43\%\) aproximadamente. Al despreciar esta corrección se obtiene la expresión en función de los parámetros solicitados: \[ \boxed{u_{\min}\simeq\frac{2\rho_sR_0tg}{3\eta}}. \]
Aquí se utiliza la ley de arrastre de Stokes indicada y se sigue la instrucción de despreciar la variación del radio durante el enfriamiento.
2.5
Sustituyendo los valores dados, \[ u_{\min}\simeq \frac{2(1000)(1.00\times10^{-2})(1.00\times10^{-7})(9.80)} {3(1.8\times10^{-5})} =0.362963\ \mathrm{m\,s^{-1}}. \] Por lo tanto, \[ \boxed{u_{\min}\simeq0.36\ \mathrm{m\,s^{-1}}}. \] Al incluir la tensión superficial se obtiene \(0.364516\ \mathrm{m\,s^{-1}}\), que, al redondear a dos cifras significativas, da la misma respuesta.
2.6
Ahora despreciamos la tensión superficial, tal como se indica. Antes de cargarla, la burbuja está a la temperatura \(T_a\), con una presión interna \(P_a\). La masa de aire encerrada se conserva, y el estado final también está a la temperatura \(T_a\). Por tanto, la ley de los gases ideales da \[ P_iV_1=P_aV_0, \qquad P_i=P_a\frac{R_0^3}{R_1^3}. \]
Una capa esférica cargada uniformemente tiene un campo eléctrico \[ E(r)=\frac{q}{4\pi\varepsilon_0r^2} \quad (r>R), \] y un campo nulo en su interior. Su energía electrostática es \[ U_e=\frac{\varepsilon_0}{2}\int_R^\infty E(r)^2\,4\pi r^2\,dr =\frac{q^2}{8\pi\varepsilon_0R}. \] Con carga constante, un aumento del radio reduce esta energía. La presión eléctrica correspondiente, dirigida hacia fuera, es \[ p_e=-\frac{dU_e}{dV} =-\frac{dU_e/dR}{4\pi R^2} =\frac{q^2}{32\pi^2\varepsilon_0R^4}. \]
El equilibrio mecánico exige \[ P_i+p_e=P_a. \] Para \(R=R_1\), \[ P_a\frac{R_0^3}{R_1^3} +\frac{q^2}{32\pi^2\varepsilon_0R_1^4} =P_a. \] Multiplicando por \(R_1^4/P_a\) se obtiene \[ \boxed{ R_1^4-R_0^3R_1-\frac{q^2}{32\pi^2\varepsilon_0P_a}=0 }. \] Para una carga no nula, la solución física cumple \(R_1>R_0\).
2.7
Sea \[ x=\frac{\Delta R}{R_0}\ll1, \qquad R_1=R_0(1+x). \] La ecuación del apartado 2.6 se convierte en \[ R_0^4\big[(1+x)^4-(1+x)\big] =\frac{q^2}{32\pi^2\varepsilon_0P_a}. \] A primer orden, \[ (1+x)^4-(1+x)\simeq(1+4x)-(1+x)=3x. \] Por tanto, \[ 3R_0^4x=\frac{q^2}{32\pi^2\varepsilon_0P_a}, \] y \[ \boxed{ \Delta R\simeq\frac{q^2}{96\pi^2\varepsilon_0P_aR_0^3} }. \]
2.8
La electrización aumenta el volumen de aire desplazado, mientras que la masa total de la burbuja permanece invariable.
Antes de cargarla, la densidad del aire interior es igual a \(\rho_a\), porque ahora se desprecia la tensión superficial y tanto su presión como su temperatura son iguales a las del ambiente. Por tanto, su masa es \[ m_i=\rho_aV_0. \] La masa de jabón, que se conserva, es \[ m_s=4\pi R_0^2t\rho_s. \] Aquí \(t\) es el espesor original; la película se hace más delgada al expandirse.
La flotación neutra después de cargarla requiere \[ \rho_aV_1g=(\rho_aV_0+m_s)g. \] Por consiguiente, \[ \rho_a\frac43\pi(R_1^3-R_0^3) =4\pi R_0^2t\rho_s, \] o bien \[ R_1^3-R_0^3=\frac{3\rho_stR_0^2}{\rho_a}. \]
Para una expansión pequeña, \[ R_1^3-R_0^3\simeq3R_0^2\Delta R, \] de modo que el aumento de radio necesario es \[ \Delta R\simeq\frac{\rho_st}{\rho_a}. \] Numéricamente, \[ \Delta R\simeq \frac{1000(1.00\times10^{-7})}{1.30} =7.69\times10^{-5}\ \mathrm m, \qquad \frac{\Delta R}{R_0}\simeq0.00769. \]
Igualando este aumento al resultado del apartado 2.7 se obtiene \[ \frac{q^2}{96\pi^2\varepsilon_0P_aR_0^3} =\frac{\rho_st}{\rho_a}, \] y, por tanto, \[ \boxed{ |q|\simeq \sqrt{\frac{96\pi^2\varepsilon_0P_a\rho_stR_0^3}{\rho_a}} }. \] La sustitución da \[ |q|\simeq \sqrt{ \frac{ 96\pi^2(8.85\times10^{-12})(1.013\times10^5) (1000)(1.00\times10^{-7})(1.00\times10^{-2})^3 }{1.30} }, \] de modo que \[ \boxed{|q|\simeq2.56\times10^{-7}\ \mathrm C=0.256\ \mu\mathrm C}. \]
El resultado también puede obtenerse sin linealizar la expansión. La flotación neutra da \[ R_1=R_0\left(1+\frac{3\rho_st}{\rho_aR_0}\right)^{1/3}. \] Combinando esto con el apartado 2.6, \[ q^2 =32\pi^2\varepsilon_0P_aR_1(R_1^3-R_0^3) =\frac{96\pi^2\varepsilon_0P_a\rho_stR_0^2R_1}{\rho_a}. \] Así pues, el resultado en la aproximación de película delgada, sin desarrollar en serie, es \[ \boxed{ |q|= \sqrt{\frac{96\pi^2\varepsilon_0P_a\rho_stR_0^3}{\rho_a}} \left(1+\frac{3\rho_st}{\rho_aR_0}\right)^{1/6} =2.57\times10^{-7}\ \mathrm C }. \] Cualquiera de los dos signos de la carga produce la misma expansión, porque la presión eléctrica depende de \(q^2\).
La solución se comprobó con la solución oficial.
IPhO 2011 · 理论题 2
带电肥皂泡
一个球形肥皂泡的内部空气密度为 \(\rho_i\),温度为 \(T_i\),半径为 \(R_0\),其周围空气的密度为 \(\rho_a\),大气压强为 \(P_a\),温度为 \(T_a\)。肥皂膜的表面张力系数为 \(\gamma\),密度为 \(\rho_s\),厚度为 \(t\)。肥皂膜的质量和表面张力系数不随温度变化。假设 \(R_0\gg t\)。
使肥皂液与空气之间的界面面积增加 \(dA\) 所需的能量增量 \(dE\) 为 \(dE=\gamma\,dA\),其中 \(\gamma\) 为膜的表面张力系数。
2.1 求比值 \(\dfrac{\rho_iT_i}{\rho_aT_a}\),用 \(\gamma\)、\(P_a\) 和 \(R_0\) 表示。[1.7 分]
2.2 利用 \(\gamma=0.0250\ \mathrm{N\,m^{-1}}\)、\(R_0=1.00\ \mathrm{cm}\) 和 \(P_a=1.013\times10^5\ \mathrm{N\,m^{-2}}\),求 \(\dfrac{\rho_iT_i}{\rho_aT_a}-1\) 的数值。[0.4 分]
2.3 肥皂泡刚形成时,内部空气较暖。求使肥皂泡能够悬浮在静止空气中的 \(T_i\) 的最小数值。取 \(T_a=300\ \mathrm K\)、\(\rho_s=1000\ \mathrm{kg\,m^{-3}}\)、\(\rho_a=1.30\ \mathrm{kg\,m^{-3}}\)、\(t=100\ \mathrm{nm}\) 和 \(g=9.80\ \mathrm{m\,s^{-2}}\)。[2.0 分]
肥皂泡形成一段时间后,将与周围环境达到热平衡。此时,静止空气中的肥皂泡自然会向地面下落。
2.4 求使达到热平衡的肥皂泡不下落所需的上升气流(向上流动的空气)的最小速度 \(u\)。用 \(\rho_s\)、\(R_0\)、\(g\)、\(t\) 和空气的黏度系数 \(\eta\) 表示答案。可以假设速度足够小,因而斯托克斯定律适用,并忽略温度降至热平衡温度时半径的变化。斯托克斯定律给出的阻力为 \(F=6\pi\eta R_0u\)。[1.6 分]
2.5 取 \(\eta=1.8\times10^{-5}\ \mathrm{kg\,m^{-1}\,s^{-1}}\),计算 \(u\) 的数值。[0.4 分]
上述计算表明,含表面张力系数 \(\gamma\) 的项对结果精度的提高很小。在以下所有问题中,均可忽略表面张力项。
2.6 若现在使这个球形肥皂泡均匀带电,总电荷量为 \(q\),求描述其新半径 \(R_1\) 的方程,用 \(R_0,P_a,q\) 和真空介电常数 \(\varepsilon_0\) 表示。[2.0 分]
2.7 假设总电荷量不太大(即 \(\dfrac{q^2}{\varepsilon_0R_0^4}\ll P_a\)),且肥皂泡的半径仅有微小增加,求 \(\Delta R\),其中 \(R_1=R_0+\Delta R\)。
已知当 \(x\ll1\) 时,\((1+x)^n\approx1+nx\)。[0.7 分]
2.8 为使肥皂泡在静止空气中静止悬浮,电荷量 \(q\) 的大小应为多少?用 \(t,\rho_a,\rho_s,\varepsilon_0,R_0,P_a\) 表示。并计算 \(q\) 的数值。真空介电常数 \(\varepsilon_0=8.85\times10^{-12}\ \mathrm{farad/m}\)。[1.2 分]
题目译自官方英文原文。
答案
-
2.1 \[ \boxed{\frac{\rho_iT_i}{\rho_aT_a}=1+\frac{4\gamma}{P_aR_0}}. \]
-
2.2 \[ \boxed{\frac{\rho_iT_i}{\rho_aT_a}-1=9.87\times10^{-5}}. \]
-
2.3 \[ \boxed{ T_{i,\min} =T_a\frac{1+\dfrac{4\gamma}{P_aR_0}} {1-\dfrac{3\rho_st}{\rho_aR_0}} =307\ \mathrm K }. \]
-
2.4,忽略微小的表面张力修正: \[ \boxed{u_{\min}\simeq\frac{2\rho_sR_0tg}{3\eta}}. \]
-
2.5 \[ \boxed{u_{\min}\simeq0.36\ \mathrm{m\,s^{-1}}}. \]
-
2.6 \[ \boxed{R_1^4-R_0^3R_1-\frac{q^2}{32\pi^2\varepsilon_0P_a}=0}, \qquad R_1\ge R_0. \]
-
2.7 \[ \boxed{\Delta R\simeq\frac{q^2}{96\pi^2\varepsilon_0P_aR_0^3}}. \]
-
2.8,采用微小膨胀近似: \[ \boxed{ |q|\simeq \sqrt{\frac{96\pi^2\varepsilon_0P_a\rho_stR_0^3}{\rho_a}} =2.56\times10^{-7}\ \mathrm C }. \] 不对膨胀作线性化处理时,薄膜近似下的结果为 \[ \boxed{ |q|= \sqrt{\frac{96\pi^2\varepsilon_0P_a\rho_stR_0^3}{\rho_a}} \left(1+\frac{3\rho_st}{\rho_aR_0}\right)^{1/6} =2.57\times10^{-7}\ \mathrm C }. \]
解答
将空气视为理想气体,且肥皂泡内外空气的成分相同。在薄膜近似下,肥皂泡的体积和肥皂膜的质量为 \[ V=\frac43\pi R^3, \qquad m_s\simeq4\pi R^2t\rho_s. \] 膜有两个肥皂液与空气之间的界面,但其质量仅为一个球壳的质量。
2.1
两个界面都对表面能有贡献。忽略两者半径的微小差异, \[ E_s=2\gamma(4\pi R^2)=8\pi\gamma R^2. \] 对于微小的向外位移 \(dR\),力学平衡要求 \[ (P_i-P_a)\,dV=dE_s. \] 由于 \[ dV=4\pi R^2\,dR, \qquad dE_s=16\pi\gamma R\,dR, \] 内部的附加压强为 \[ P_i-P_a=\frac{4\gamma}{R_0}. \]
理想气体关系式 \(P=\rho\mathcal R_{\rm air}T\) 中,内外空气的比气体常数相同,因此 \[ \boxed{ \frac{\rho_iT_i}{\rho_aT_a} =\frac{P_i}{P_a} =1+\frac{4\gamma}{P_aR_0} }. \]
2.2
取 \(R_0=1.00\times10^{-2}\ \mathrm m\), \[ P_i-P_a =\frac{4(0.0250)}{1.00\times10^{-2}} =10.0\ \mathrm{Pa}. \] 因此 \[ \boxed{ \frac{\rho_iT_i}{\rho_aT_a}-1 =\frac{10.0}{1.013\times10^5} =9.87\times10^{-5} }. \]
2.3
向上的浮力等于所排开周围空气的重力: \[ F_B=\rho_aV_0g, \qquad V_0=\frac43\pi R_0^3. \] 在恰能悬浮的最低温度下,浮力恰好与内部空气和肥皂膜的总重力平衡: \[ \rho_aV_0g=\rho_iV_0g+4\pi R_0^2t\rho_sg. \] 因此, \[ \rho_i=\rho_a-\frac{3\rho_st}{R_0}. \] 代入数值得 \[ \frac{3\rho_st}{R_0} =\frac{3(1000)(1.00\times10^{-7})}{1.00\times10^{-2}} =0.0300\ \mathrm{kg\,m^{-3}}, \] 所以中性浮力条件要求 \[ \rho_i=1.27\ \mathrm{kg\,m^{-3}}. \]
利用第 2.1 问的结果, \[ T_{i,\min} =\frac{\rho_aT_a}{\rho_i} \left(1+\frac{4\gamma}{P_aR_0}\right) =T_a \frac{1+\dfrac{4\gamma}{P_aR_0}} {1-\dfrac{3\rho_st}{\rho_aR_0}}. \] 于是, \[ T_{i,\min} =300\frac{1+9.8717\times10^{-5}}{1-0.0300/1.30} =307.117\ \mathrm K, \] 即 \[ \boxed{T_{i,\min}=307\ \mathrm K}. \] 温度更高时,内部空气的密度更低,因而合力向上。
2.4
达到热平衡时,\(T_i=T_a\)。由第 2.1 问可得 \[ \rho_i-\rho_a=\rho_a\frac{4\gamma}{P_aR_0}. \]
对于静止的肥皂泡,向上的斯托克斯阻力必须与其重力减去浮力之差平衡: \[ 6\pi\eta R_0u_{\min} = 4\pi R_0^2t\rho_sg +\frac43\pi R_0^3(\rho_i-\rho_a)g. \] 因此,保留表面张力项时, \[ u_{\min} = \frac{2\rho_sR_0tg}{3\eta} +\frac{8\rho_a\gamma R_0g}{9\eta P_a}. \]
第二项与第一项之比为 \[ \frac{4\rho_a\gamma}{3P_a\rho_st} =4.28\times10^{-3}. \] 因此,表面张力使所需速度仅改变约 \(0.43\%\)。忽略这一修正,便得到用题目所要求的参数表示的表达式: \[ \boxed{u_{\min}\simeq\frac{2\rho_sR_0tg}{3\eta}}. \]
这里使用了题目规定的斯托克斯阻力定律,并按题意忽略了冷却过程中的半径变化。
2.5
代入给定数值, \[ u_{\min}\simeq \frac{2(1000)(1.00\times10^{-2})(1.00\times10^{-7})(9.80)} {3(1.8\times10^{-5})} =0.362963\ \mathrm{m\,s^{-1}}. \] 因此, \[ \boxed{u_{\min}\simeq0.36\ \mathrm{m\,s^{-1}}}. \] 计入表面张力后得到 \(0.364516\ \mathrm{m\,s^{-1}}\),保留两位有效数字时,答案相同。
2.6
现在按题意忽略表面张力。充电前,肥皂泡的温度为 \(T_a\),内部压强为 \(P_a\)。泡内空气的质量守恒,最终状态的温度也为 \(T_a\)。因此,由理想气体定律可得 \[ P_iV_1=P_aV_0, \qquad P_i=P_a\frac{R_0^3}{R_1^3}. \]
均匀带电球壳的电场为 \[ E(r)=\frac{q}{4\pi\varepsilon_0r^2} \quad (r>R), \] 内部电场为零。其静电能为 \[ U_e=\frac{\varepsilon_0}{2}\int_R^\infty E(r)^2\,4\pi r^2\,dr =\frac{q^2}{8\pi\varepsilon_0R}. \] 在电荷量固定时,半径增大会使这一能量降低。相应的向外电压力为 \[ p_e=-\frac{dU_e}{dV} =-\frac{dU_e/dR}{4\pi R^2} =\frac{q^2}{32\pi^2\varepsilon_0R^4}. \]
力学平衡要求 \[ P_i+p_e=P_a. \] 当 \(R=R_1\) 时, \[ P_a\frac{R_0^3}{R_1^3} +\frac{q^2}{32\pi^2\varepsilon_0R_1^4} =P_a. \] 两边乘以 \(R_1^4/P_a\),得到 \[ \boxed{ R_1^4-R_0^3R_1-\frac{q^2}{32\pi^2\varepsilon_0P_a}=0 }. \] 当电荷量非零时,物理解满足 \(R_1>R_0\)。
2.7
令 \[ x=\frac{\Delta R}{R_0}\ll1, \qquad R_1=R_0(1+x). \] 第 2.6 问中的方程变为 \[ R_0^4\big[(1+x)^4-(1+x)\big] =\frac{q^2}{32\pi^2\varepsilon_0P_a}. \] 保留到一阶, \[ (1+x)^4-(1+x)\simeq(1+4x)-(1+x)=3x. \] 因此 \[ 3R_0^4x=\frac{q^2}{32\pi^2\varepsilon_0P_a}, \] 从而 \[ \boxed{ \Delta R\simeq\frac{q^2}{96\pi^2\varepsilon_0P_aR_0^3} }. \]
2.8
充电使排开的空气体积增大,而肥皂泡的总质量保持不变。
充电前,内部空气的密度等于 \(\rho_a\),因为此时忽略表面张力,且其压强和温度均等于周围空气的相应值。因此,内部空气的质量为 \[ m_i=\rho_aV_0. \] 保持不变的肥皂膜质量为 \[ m_s=4\pi R_0^2t\rho_s. \] 这里 \(t\) 是初始厚度;膜在膨胀过程中变薄。
充电后的中性浮力条件要求 \[ \rho_aV_1g=(\rho_aV_0+m_s)g. \] 因此 \[ \rho_a\frac43\pi(R_1^3-R_0^3) =4\pi R_0^2t\rho_s, \] 即 \[ R_1^3-R_0^3=\frac{3\rho_stR_0^2}{\rho_a}. \]
对于微小膨胀, \[ R_1^3-R_0^3\simeq3R_0^2\Delta R, \] 所以所需的半径增量为 \[ \Delta R\simeq\frac{\rho_st}{\rho_a}. \] 代入数值得 \[ \Delta R\simeq \frac{1000(1.00\times10^{-7})}{1.30} =7.69\times10^{-5}\ \mathrm m, \qquad \frac{\Delta R}{R_0}\simeq0.00769. \]
将此增量与第 2.7 问的结果相等,得到 \[ \frac{q^2}{96\pi^2\varepsilon_0P_aR_0^3} =\frac{\rho_st}{\rho_a}, \] 因此 \[ \boxed{ |q|\simeq \sqrt{\frac{96\pi^2\varepsilon_0P_a\rho_stR_0^3}{\rho_a}} }. \] 代入数值得 \[ |q|\simeq \sqrt{ \frac{ 96\pi^2(8.85\times10^{-12})(1.013\times10^5) (1000)(1.00\times10^{-7})(1.00\times10^{-2})^3 }{1.30} }, \] 所以 \[ \boxed{|q|\simeq2.56\times10^{-7}\ \mathrm C=0.256\ \mu\mathrm C}. \]
也可以不对膨胀作线性化处理来求得结果。由中性浮力条件可得 \[ R_1=R_0\left(1+\frac{3\rho_st}{\rho_aR_0}\right)^{1/3}. \] 将其与第 2.6 问的结果结合, \[ q^2 =32\pi^2\varepsilon_0P_aR_1(R_1^3-R_0^3) =\frac{96\pi^2\varepsilon_0P_a\rho_stR_0^2R_1}{\rho_a}. \] 因此,未作展开的薄膜近似结果为 \[ \boxed{ |q|= \sqrt{\frac{96\pi^2\varepsilon_0P_a\rho_stR_0^3}{\rho_a}} \left(1+\frac{3\rho_st}{\rho_aR_0}\right)^{1/6} =2.57\times10^{-7}\ \mathrm C }. \] 无论电荷为正还是为负,产生的膨胀都相同,因为电压力取决于 \(q^2\)。
解答已与官方解答核对。
IPhO 2011 · Теоретическая задача 2
Электрически заряженный мыльный пузырь
Сферический мыльный пузырь с плотностью воздуха внутри \(\rho_i\), температурой \(T_i\) и радиусом \(R_0\) окружён воздухом с плотностью \(\rho_a\), атмосферным давлением \(P_a\) и температурой \(T_a\). Мыльная плёнка имеет поверхностное натяжение \(\gamma\), плотность \(\rho_s\) и толщину \(t\). Масса и поверхностное натяжение мыльной плёнки не зависят от температуры. Считайте, что \(R_0\gg t\).
Приращение энергии \(dE\), необходимое для увеличения площади поверхности раздела мыльная плёнка–воздух на \(dA\), определяется выражением \(dE=\gamma\,dA\), где \(\gamma\) — поверхностное натяжение плёнки.
2.1 Найдите отношение \(\dfrac{\rho_iT_i}{\rho_aT_a}\), выразив его через \(\gamma\), \(P_a\) и \(R_0\). [1.7 балла]
2.2 Найдите численное значение \(\dfrac{\rho_iT_i}{\rho_aT_a}-1\), используя \(\gamma=0.0250\ \mathrm{N\,m^{-1}}\), \(R_0=1.00\ \mathrm{cm}\) и \(P_a=1.013\times10^5\ \mathrm{N\,m^{-2}}\). [0.4 балла]
2.3 Изначально пузырь образуется с более тёплым воздухом внутри. Найдите минимальное численное значение \(T_i\), при котором пузырь может находиться во взвешенном состоянии в неподвижном воздухе. Используйте \(T_a=300\ \mathrm K\), \(\rho_s=1000\ \mathrm{kg\,m^{-3}}\), \(\rho_a=1.30\ \mathrm{kg\,m^{-3}}\), \(t=100\ \mathrm{nm}\) и \(g=9.80\ \mathrm{m\,s^{-2}}\). [2.0 балла]
Через некоторое время после образования пузырь придёт в тепловое равновесие с окружающей средой. В неподвижном воздухе такой пузырь будет естественным образом опускаться к земле.
2.4 Найдите минимальную скорость \(u\) восходящего потока воздуха, которая удержит пузырь от падения при тепловом равновесии. Выразите ответ через \(\rho_s\), \(R_0\), \(g\), \(t\) и коэффициент вязкости воздуха \(\eta\). Можно считать, что скорость достаточно мала для применимости закона Стокса, и пренебречь изменением радиуса при понижении температуры до равновесной. Сила сопротивления по закону Стокса равна \(F=6\pi\eta R_0u\). [1.6 балла]
2.5 Вычислите численное значение \(u\), используя \(\eta=1.8\times10^{-5}\ \mathrm{kg\,m^{-1}\,s^{-1}}\). [0.4 балла]
Приведённые выше расчёты показывают, что учёт слагаемых, содержащих поверхностное натяжение \(\gamma\), лишь незначительно повышает точность результата. Во всех последующих вопросах слагаемыми, связанными с поверхностным натяжением, можно пренебречь.
2.6 Если теперь этому сферическому пузырю сообщить равномерно распределённый по его поверхности суммарный заряд \(q\), найдите уравнение, определяющее новый радиус \(R_1\) через \(R_0,P_a,q\) и электрическую постоянную \(\varepsilon_0\). [2.0 балла]
2.7 Считая, что суммарный заряд не слишком велик (то есть \(\dfrac{q^2}{\varepsilon_0R_0^4}\ll P_a\)) и радиус пузыря увеличивается лишь незначительно, найдите \(\Delta R\), где \(R_1=R_0+\Delta R\).
Дано: \((1+x)^n\approx1+nx\) при \(x\ll1\). [0.7 балла]
2.8 Каким должен быть модуль заряда \(q\), выраженный через \(t,\rho_a,\rho_s,\varepsilon_0,R_0,P_a\), чтобы пузырь неподвижно висел в неподвижном воздухе? Вычислите также численное значение \(q\). Электрическая постоянная \(\varepsilon_0=8.85\times10^{-12}\ \mathrm{farad/m}\). [1.2 балла]
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
-
2.1 \[ \boxed{\frac{\rho_iT_i}{\rho_aT_a}=1+\frac{4\gamma}{P_aR_0}}. \]
-
2.2 \[ \boxed{\frac{\rho_iT_i}{\rho_aT_a}-1=9.87\times10^{-5}}. \]
-
2.3 \[ \boxed{ T_{i,\min} =T_a\frac{1+\dfrac{4\gamma}{P_aR_0}} {1-\dfrac{3\rho_st}{\rho_aR_0}} =307\ \mathrm K }. \]
-
2.4, пренебрегая малой поправкой, обусловленной поверхностным натяжением: \[ \boxed{u_{\min}\simeq\frac{2\rho_sR_0tg}{3\eta}}. \]
-
2.5 \[ \boxed{u_{\min}\simeq0.36\ \mathrm{m\,s^{-1}}}. \]
-
2.6 \[ \boxed{R_1^4-R_0^3R_1-\frac{q^2}{32\pi^2\varepsilon_0P_a}=0}, \qquad R_1\ge R_0. \]
-
2.7 \[ \boxed{\Delta R\simeq\frac{q^2}{96\pi^2\varepsilon_0P_aR_0^3}}. \]
-
2.8, в приближении малого расширения: \[ \boxed{ |q|\simeq \sqrt{\frac{96\pi^2\varepsilon_0P_a\rho_stR_0^3}{\rho_a}} =2.56\times10^{-7}\ \mathrm C }. \] Без линеаризации расширения результат в приближении тонкой плёнки имеет вид \[ \boxed{ |q|= \sqrt{\frac{96\pi^2\varepsilon_0P_a\rho_stR_0^3}{\rho_a}} \left(1+\frac{3\rho_st}{\rho_aR_0}\right)^{1/6} =2.57\times10^{-7}\ \mathrm C }. \]
Решение
Будем считать воздух идеальным газом с одинаковым составом внутри и снаружи пузыря. В приближении тонкой плёнки объём пузыря и масса мыльной плёнки равны \[ V=\frac43\pi R^3, \qquad m_s\simeq4\pi R^2t\rho_s. \] У плёнки две поверхности раздела с воздухом, но её масса равна массе одной оболочки.
2.1
Обе поверхности раздела вносят вклад в поверхностную энергию. Пренебрегая малым различием их радиусов, получаем \[ E_s=2\gamma(4\pi R^2)=8\pi\gamma R^2. \] При малом смещении наружу \(dR\) условие механического равновесия имеет вид \[ (P_i-P_a)\,dV=dE_s. \] Поскольку \[ dV=4\pi R^2\,dR, \qquad dE_s=16\pi\gamma R\,dR, \] избыточное давление внутри пузыря равно \[ P_i-P_a=\frac{4\gamma}{R_0}. \]
Из уравнения идеального газа \(P=\rho\mathcal R_{\rm air}T\) с одинаковой удельной газовой постоянной по обе стороны плёнки следует \[ \boxed{ \frac{\rho_iT_i}{\rho_aT_a} =\frac{P_i}{P_a} =1+\frac{4\gamma}{P_aR_0} }. \]
2.2
При \(R_0=1.00\times10^{-2}\ \mathrm m\) \[ P_i-P_a =\frac{4(0.0250)}{1.00\times10^{-2}} =10.0\ \mathrm{Pa}. \] Следовательно, \[ \boxed{ \frac{\rho_iT_i}{\rho_aT_a}-1 =\frac{10.0}{1.013\times10^5} =9.87\times10^{-5} }. \]
2.3
Направленная вверх сила Архимеда равна весу вытесненного окружающего воздуха: \[ F_B=\rho_aV_0g, \qquad V_0=\frac43\pi R_0^3. \] При минимальной температуре, позволяющей пузырю оставаться во взвешенном состоянии, сила Архимеда в точности уравновешивает суммарную силу тяжести, действующую на воздух внутри пузыря и мыльную плёнку: \[ \rho_aV_0g=\rho_iV_0g+4\pi R_0^2t\rho_sg. \] Поэтому \[ \rho_i=\rho_a-\frac{3\rho_st}{R_0}. \] Численно \[ \frac{3\rho_st}{R_0} =\frac{3(1000)(1.00\times10^{-7})}{1.00\times10^{-2}} =0.0300\ \mathrm{kg\,m^{-3}}, \] так что для нейтральной плавучести необходимо \[ \rho_i=1.27\ \mathrm{kg\,m^{-3}}. \]
Используя результат пункта 2.1, получаем \[ T_{i,\min} =\frac{\rho_aT_a}{\rho_i} \left(1+\frac{4\gamma}{P_aR_0}\right) =T_a \frac{1+\dfrac{4\gamma}{P_aR_0}} {1-\dfrac{3\rho_st}{\rho_aR_0}}. \] Следовательно, \[ T_{i,\min} =300\frac{1+9.8717\times10^{-5}}{1-0.0300/1.30} =307.117\ \mathrm K, \] или \[ \boxed{T_{i,\min}=307\ \mathrm K}. \] При более высокой температуре плотность воздуха внутри пузыря меньше, и поэтому равнодействующая сил направлена вверх.
2.4
При тепловом равновесии \(T_i=T_a\). Тогда из пункта 2.1 следует \[ \rho_i-\rho_a=\rho_a\frac{4\gamma}{P_aR_0}. \]
Для неподвижного пузыря направленная вверх сила сопротивления Стокса должна уравновешивать разность силы тяжести и силы Архимеда: \[ 6\pi\eta R_0u_{\min} = 4\pi R_0^2t\rho_sg +\frac43\pi R_0^3(\rho_i-\rho_a)g. \] Следовательно, с учётом поверхностного натяжения \[ u_{\min} = \frac{2\rho_sR_0tg}{3\eta} +\frac{8\rho_a\gamma R_0g}{9\eta P_a}. \]
Отношение второго слагаемого к первому равно \[ \frac{4\rho_a\gamma}{3P_a\rho_st} =4.28\times10^{-3}. \] Таким образом, поверхностное натяжение изменяет требуемую скорость лишь примерно на \(0.43\%\). Пренебрегая этой поправкой, получаем выражение через указанные в условии параметры: \[ \boxed{u_{\min}\simeq\frac{2\rho_sR_0tg}{3\eta}}. \]
Здесь использованы заданный закон сопротивления Стокса и указание пренебречь изменением радиуса при охлаждении.
2.5
Подставляя заданные значения, получаем \[ u_{\min}\simeq \frac{2(1000)(1.00\times10^{-2})(1.00\times10^{-7})(9.80)} {3(1.8\times10^{-5})} =0.362963\ \mathrm{m\,s^{-1}}. \] Следовательно, \[ \boxed{u_{\min}\simeq0.36\ \mathrm{m\,s^{-1}}}. \] Учёт поверхностного натяжения даёт \(0.364516\ \mathrm{m\,s^{-1}}\), что при округлении до двух значащих цифр приводит к тому же ответу.
2.6
Теперь, согласно условию, пренебрежём поверхностным натяжением. До сообщения заряда пузырь имеет температуру \(T_a\), а давление внутри него равно \(P_a\). Масса заключённого в нём воздуха сохраняется, и в конечном состоянии температура также равна \(T_a\). Поэтому из уравнения идеального газа следует \[ P_iV_1=P_aV_0, \qquad P_i=P_a\frac{R_0^3}{R_1^3}. \]
Равномерно заряженная сферическая оболочка создаёт электрическое поле \[ E(r)=\frac{q}{4\pi\varepsilon_0r^2} \quad (r>R), \] а внутри неё поле равно нулю. Её электростатическая энергия равна \[ U_e=\frac{\varepsilon_0}{2}\int_R^\infty E(r)^2\,4\pi r^2\,dr =\frac{q^2}{8\pi\varepsilon_0R}. \] При постоянном заряде увеличение радиуса уменьшает эту энергию. Соответствующее электрическое давление, действующее наружу, равно \[ p_e=-\frac{dU_e}{dV} =-\frac{dU_e/dR}{4\pi R^2} =\frac{q^2}{32\pi^2\varepsilon_0R^4}. \]
Условие механического равновесия имеет вид \[ P_i+p_e=P_a. \] При \(R=R_1\) \[ P_a\frac{R_0^3}{R_1^3} +\frac{q^2}{32\pi^2\varepsilon_0R_1^4} =P_a. \] Умножая на \(R_1^4/P_a\), получаем \[ \boxed{ R_1^4-R_0^3R_1-\frac{q^2}{32\pi^2\varepsilon_0P_a}=0 }. \] При ненулевом заряде физическому решению соответствует \(R_1>R_0\).
2.7
Пусть \[ x=\frac{\Delta R}{R_0}\ll1, \qquad R_1=R_0(1+x). \] Уравнение из пункта 2.6 принимает вид \[ R_0^4\big[(1+x)^4-(1+x)\big] =\frac{q^2}{32\pi^2\varepsilon_0P_a}. \] В первом порядке \[ (1+x)^4-(1+x)\simeq(1+4x)-(1+x)=3x. \] Таким образом, \[ 3R_0^4x=\frac{q^2}{32\pi^2\varepsilon_0P_a}, \] и \[ \boxed{ \Delta R\simeq\frac{q^2}{96\pi^2\varepsilon_0P_aR_0^3} }. \]
2.8
Сообщение заряда увеличивает объём вытесненного воздуха, оставляя полную массу пузыря неизменной.
До сообщения заряда плотность воздуха внутри пузыря равна \(\rho_a\), поскольку поверхностным натяжением теперь пренебрегаем, а давление и температура внутри равны соответствующим значениям в окружающем воздухе. Поэтому масса воздуха внутри пузыря равна \[ m_i=\rho_aV_0. \] Сохраняющаяся масса мыльной плёнки равна \[ m_s=4\pi R_0^2t\rho_s. \] Здесь \(t\) — первоначальная толщина; при расширении плёнка становится тоньше.
Для нейтральной плавучести после сообщения заряда необходимо \[ \rho_aV_1g=(\rho_aV_0+m_s)g. \] Следовательно, \[ \rho_a\frac43\pi(R_1^3-R_0^3) =4\pi R_0^2t\rho_s, \] или \[ R_1^3-R_0^3=\frac{3\rho_stR_0^2}{\rho_a}. \]
При малом расширении \[ R_1^3-R_0^3\simeq3R_0^2\Delta R, \] поэтому требуемое увеличение радиуса равно \[ \Delta R\simeq\frac{\rho_st}{\rho_a}. \] Численно \[ \Delta R\simeq \frac{1000(1.00\times10^{-7})}{1.30} =7.69\times10^{-5}\ \mathrm m, \qquad \frac{\Delta R}{R_0}\simeq0.00769. \]
Приравнивая это увеличение результату пункта 2.7, получаем \[ \frac{q^2}{96\pi^2\varepsilon_0P_aR_0^3} =\frac{\rho_st}{\rho_a}, \] и, следовательно, \[ \boxed{ |q|\simeq \sqrt{\frac{96\pi^2\varepsilon_0P_a\rho_stR_0^3}{\rho_a}} }. \] Подстановка даёт \[ |q|\simeq \sqrt{ \frac{ 96\pi^2(8.85\times10^{-12})(1.013\times10^5) (1000)(1.00\times10^{-7})(1.00\times10^{-2})^3 }{1.30} }, \] так что \[ \boxed{|q|\simeq2.56\times10^{-7}\ \mathrm C=0.256\ \mu\mathrm C}. \]
Результат можно получить и без линеаризации расширения. Из условия нейтральной плавучести следует \[ R_1=R_0\left(1+\frac{3\rho_st}{\rho_aR_0}\right)^{1/3}. \] Объединяя это с результатом пункта 2.6, получаем \[ q^2 =32\pi^2\varepsilon_0P_aR_1(R_1^3-R_0^3) =\frac{96\pi^2\varepsilon_0P_a\rho_stR_0^2R_1}{\rho_a}. \] Таким образом, результат в приближении тонкой плёнки без разложения имеет вид \[ \boxed{ |q|= \sqrt{\frac{96\pi^2\varepsilon_0P_a\rho_stR_0^3}{\rho_a}} \left(1+\frac{3\rho_st}{\rho_aR_0}\right)^{1/6} =2.57\times10^{-7}\ \mathrm C }. \] Заряд любого знака вызывает одинаковое расширение, поскольку электрическое давление зависит от \(q^2\).
Решение проверено по официальному решению.
IPhO 2011 · مسألة نظرية 2
فقاعة صابون مشحونة كهربائيًا
فقاعة صابون كروية كثافة الهواء داخلها \(\rho_i\)، ودرجة حرارته \(T_i\)، ونصف قطرها \(R_0\)، يحيط بها هواء كثافته \(\rho_a\)، وضغطه الجوي \(P_a\)، ودرجة حرارته \(T_a\). لغشاء الصابون توتر سطحي \(\gamma\)، وكثافة \(\rho_s\)، وسمك \(t\). لا تتغير كتلة الصابون ولا توتره السطحي مع درجة الحرارة. افترض أن \(R_0\gg t\).
تُعطى الزيادة في الطاقة، \(dE\)، اللازمة لزيادة مساحة سطح فاصل بين الصابون والهواء بمقدار \(dA\)، بالعلاقة \(dE=\gamma\,dA\)، حيث \(\gamma\) هو التوتر السطحي للغشاء.
2.1 أوجد النسبة \(\dfrac{\rho_iT_i}{\rho_aT_a}\) بدلالة \(\gamma\)، و\(P_a\)، و\(R_0\). [1.7 درجة]
2.2 أوجد القيمة العددية للمقدار \(\dfrac{\rho_iT_i}{\rho_aT_a}-1\) باستخدام \(\gamma=0.0250\ \mathrm{N\,m^{-1}}\)، و\(R_0=1.00\ \mathrm{cm}\)، و\(P_a=1.013\times10^5\ \mathrm{N\,m^{-2}}\). [0.4 درجة]
2.3 تتشكل الفقاعة في البداية بحيث يكون الهواء داخلها أدفأ من الهواء المحيط. أوجد أصغر قيمة عددية لـ \(T_i\) تُمكّن الفقاعة من الطفو في هواء ساكن. استخدم \(T_a=300\ \mathrm K\)، و\(\rho_s=1000\ \mathrm{kg\,m^{-3}}\)، و\(\rho_a=1.30\ \mathrm{kg\,m^{-3}}\)، و\(t=100\ \mathrm{nm}\)، و\(g=9.80\ \mathrm{m\,s^{-2}}\). [2.0 درجة]
بعد مرور بعض الوقت على تشكّل الفقاعة، ستصبح في اتزان حراري مع الوسط المحيط. وستسقط هذه الفقاعة في الهواء الساكن نحو الأرض بصورة طبيعية.
2.4 أوجد أصغر سرعة \(u\) لتيار هوائي صاعد (هواء يتدفق إلى أعلى) تمنع الفقاعة من السقوط عند الاتزان الحراري. أعط إجابتك بدلالة \(\rho_s\)، و\(R_0\)، و\(g\)، و\(t\)، ومعامل لزوجة الهواء \(\eta\). يمكنك افتراض أن السرعة صغيرة بحيث ينطبق قانون ستوكس، وإهمال التغير في نصف القطر عندما تنخفض درجة الحرارة إلى درجة حرارة الاتزان. تُعطى قوة المقاومة وفقًا لقانون ستوكس بالعلاقة \(F=6\pi\eta R_0u\). [1.6 درجة]
2.5 احسب القيمة العددية لـ \(u\) باستخدام \(\eta=1.8\times10^{-5}\ \mathrm{kg\,m^{-1}\,s^{-1}}\). [0.4 درجة]
تشير الحسابات السابقة إلى أن الحدود التي تتضمن التوتر السطحي \(\gamma\) لا تزيد دقة النتيجة إلا بمقدار ضئيل جدًا. في جميع الأسئلة التالية، يمكنك إهمال حدود التوتر السطحي.
2.6 إذا شُحنت هذه الفقاعة الكروية الآن بانتظام بشحنة كلية \(q\)، فأوجد معادلة تصف نصف القطر الجديد \(R_1\) بدلالة \(R_0,P_a,q\) وسماحية الفراغ \(\varepsilon_0\). [2.0 درجة]
2.7 افترض أن الشحنة الكلية ليست كبيرة جدًا (أي إن \(\dfrac{q^2}{\varepsilon_0R_0^4}\ll P_a\))، وأن نصف قطر الفقاعة لا يزداد إلا زيادة صغيرة، وأوجد \(\Delta R\) حيث \(R_1=R_0+\Delta R\).
علمًا بأن \((1+x)^n\approx1+nx\) حيث \(x\ll1\). [0.7 درجة]
2.8 ما مقدار هذه الشحنة \(q\) بدلالة \(t,\rho_a,\rho_s,\varepsilon_0,R_0,P_a\) اللازم لكي تطفو الفقاعة دون حركة في هواء ساكن؟ احسب أيضًا القيمة العددية لـ \(q\). سماحية الفراغ هي \(\varepsilon_0=8.85\times10^{-12}\ \mathrm{farad/m}\). [1.2 درجة]
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
-
2.1 \[ \boxed{\frac{\rho_iT_i}{\rho_aT_a}=1+\frac{4\gamma}{P_aR_0}}. \]
-
2.2 \[ \boxed{\frac{\rho_iT_i}{\rho_aT_a}-1=9.87\times10^{-5}}. \]
-
2.3 \[ \boxed{ T_{i,\min} =T_a\frac{1+\dfrac{4\gamma}{P_aR_0}} {1-\dfrac{3\rho_st}{\rho_aR_0}} =307\ \mathrm K }. \]
-
2.4، بإهمال التصحيح الصغير الناتج عن التوتر السطحي: \[ \boxed{u_{\min}\simeq\frac{2\rho_sR_0tg}{3\eta}}. \]
-
2.5 \[ \boxed{u_{\min}\simeq0.36\ \mathrm{m\,s^{-1}}}. \]
-
2.6 \[ \boxed{R_1^4-R_0^3R_1-\frac{q^2}{32\pi^2\varepsilon_0P_a}=0}, \qquad R_1\ge R_0. \]
-
2.7 \[ \boxed{\Delta R\simeq\frac{q^2}{96\pi^2\varepsilon_0P_aR_0^3}}. \]
-
2.8، باستخدام تقريب التمدد الصغير: \[ \boxed{ |q|\simeq \sqrt{\frac{96\pi^2\varepsilon_0P_a\rho_stR_0^3}{\rho_a}} =2.56\times10^{-7}\ \mathrm C }. \] من دون إجراء تقريب خطي للتمدد، تكون النتيجة في تقريب الغشاء الرقيق \[ \boxed{ |q|= \sqrt{\frac{96\pi^2\varepsilon_0P_a\rho_stR_0^3}{\rho_a}} \left(1+\frac{3\rho_st}{\rho_aR_0}\right)^{1/6} =2.57\times10^{-7}\ \mathrm C }. \]
الحل
نعامل الهواء بوصفه غازًا مثاليًا له التركيب نفسه داخل الفقاعة وخارجها. في تقريب الغشاء الرقيق، يُعطى حجم الفقاعة وكتلة الصابون بالعلاقتين \[ V=\frac43\pi R^3, \qquad m_s\simeq4\pi R^2t\rho_s. \] للغشاء سطحان فاصلان بين الصابون والهواء، لكن كتلته هي كتلة قشرة واحدة.
2.1
يسهم كلا السطحين الفاصلين في الطاقة السطحية. وبإهمال الفرق الصغير بين نصفي قطريهما، \[ E_s=2\gamma(4\pi R^2)=8\pi\gamma R^2. \] عند حدوث إزاحة صغيرة إلى الخارج مقدارها \(dR\)، يقتضي الاتزان الميكانيكي أن \[ (P_i-P_a)\,dV=dE_s. \] وبما أن \[ dV=4\pi R^2\,dR, \qquad dE_s=16\pi\gamma R\,dR, \] فإن زيادة الضغط الداخلي عن الضغط الخارجي هي \[ P_i-P_a=\frac{4\gamma}{R_0}. \]
تعطي علاقة الغاز المثالي \(P=\rho\mathcal R_{\rm air}T\)، مع تساوي ثابت الغاز النوعي على الجانبين، \[ \boxed{ \frac{\rho_iT_i}{\rho_aT_a} =\frac{P_i}{P_a} =1+\frac{4\gamma}{P_aR_0} }. \]
2.2
باستخدام \(R_0=1.00\times10^{-2}\ \mathrm m\)، \[ P_i-P_a =\frac{4(0.0250)}{1.00\times10^{-2}} =10.0\ \mathrm{Pa}. \] إذن \[ \boxed{ \frac{\rho_iT_i}{\rho_aT_a}-1 =\frac{10.0}{1.013\times10^5} =9.87\times10^{-5} }. \]
2.3
قوة الطفو المتجهة إلى أعلى تساوي وزن الهواء المحيط المزاح: \[ F_B=\rho_aV_0g, \qquad V_0=\frac43\pi R_0^3. \] عند أدنى درجة حرارة تسمح بالطفو، تتوازن قوة الطفو تمامًا مع مجموع وزني الهواء الداخلي والصابون: \[ \rho_aV_0g=\rho_iV_0g+4\pi R_0^2t\rho_sg. \] وعليه، \[ \rho_i=\rho_a-\frac{3\rho_st}{R_0}. \] عدديًا، \[ \frac{3\rho_st}{R_0} =\frac{3(1000)(1.00\times10^{-7})}{1.00\times10^{-2}} =0.0300\ \mathrm{kg\,m^{-3}}, \] ومن ثم يتطلب الطفو المتعادل أن \[ \rho_i=1.27\ \mathrm{kg\,m^{-3}}. \]
باستخدام الجزء 2.1، \[ T_{i,\min} =\frac{\rho_aT_a}{\rho_i} \left(1+\frac{4\gamma}{P_aR_0}\right) =T_a \frac{1+\dfrac{4\gamma}{P_aR_0}} {1-\dfrac{3\rho_st}{\rho_aR_0}}. \] وبالتالي، \[ T_{i,\min} =300\frac{1+9.8717\times10^{-5}}{1-0.0300/1.30} =307.117\ \mathrm K, \] أو \[ \boxed{T_{i,\min}=307\ \mathrm K}. \] تؤدي درجة حرارة أعلى إلى كثافة أقل للهواء الداخلي، ومن ثم إلى قوة محصلة متجهة إلى أعلى.
2.4
عند الاتزان الحراري، \(T_i=T_a\). وعندئذ يعطي الجزء 2.1 \[ \rho_i-\rho_a=\rho_a\frac{4\gamma}{P_aR_0}. \]
لكي تكون الفقاعة ساكنة، يجب أن توازن قوة مقاومة ستوكس المتجهة إلى أعلى وزنها مطروحًا منه قوة الطفو: \[ 6\pi\eta R_0u_{\min} = 4\pi R_0^2t\rho_sg +\frac43\pi R_0^3(\rho_i-\rho_a)g. \] ومن ثم، مع الإبقاء على التوتر السطحي، \[ u_{\min} = \frac{2\rho_sR_0tg}{3\eta} +\frac{8\rho_a\gamma R_0g}{9\eta P_a}. \]
نسبة الحد الثاني إلى الأول هي \[ \frac{4\rho_a\gamma}{3P_a\rho_st} =4.28\times10^{-3}. \] إذن لا يغيّر التوتر السطحي السرعة المطلوبة إلا بنحو \(0.43\%\). وبإهمال هذا التصحيح نحصل على التعبير بدلالة المعلمات المطلوبة: \[ \boxed{u_{\min}\simeq\frac{2\rho_sR_0tg}{3\eta}}. \]
يستخدم هذا قانون ستوكس للمقاومة المفروض في المسألة، والتوجيه بإهمال تغير نصف القطر أثناء التبريد.
2.5
بالتعويض بالقيم المعطاة، \[ u_{\min}\simeq \frac{2(1000)(1.00\times10^{-2})(1.00\times10^{-7})(9.80)} {3(1.8\times10^{-5})} =0.362963\ \mathrm{m\,s^{-1}}. \] وعليه، \[ \boxed{u_{\min}\simeq0.36\ \mathrm{m\,s^{-1}}}. \] بإدراج التوتر السطحي نحصل على \(0.364516\ \mathrm{m\,s^{-1}}\)، وهي قيمة تُقرّب إلى الإجابة نفسها عند التقريب إلى رقمين معنويين.
2.6
نهمل الآن التوتر السطحي وفقًا للتعليمات. قبل الشحن، تكون الفقاعة عند درجة حرارة \(T_a\)، وضغطها الداخلي \(P_a\). تبقى كتلة الهواء المحصور محفوظة، وتكون الحالة النهائية أيضًا عند درجة حرارة \(T_a\). لذلك يعطي قانون الغاز المثالي \[ P_iV_1=P_aV_0, \qquad P_i=P_a\frac{R_0^3}{R_1^3}. \]
لقشرة كروية مشحونة بانتظام مجال كهربائي \[ E(r)=\frac{q}{4\pi\varepsilon_0r^2} \quad (r>R), \] ومجال منعدم داخلها. وطاقتها الكهروستاتيكية هي \[ U_e=\frac{\varepsilon_0}{2}\int_R^\infty E(r)^2\,4\pi r^2\,dr =\frac{q^2}{8\pi\varepsilon_0R}. \] عند ثبات الشحنة، تؤدي زيادة نصف القطر إلى انخفاض هذه الطاقة. والضغط الكهربائي المتجه إلى الخارج الموافق لذلك هو \[ p_e=-\frac{dU_e}{dV} =-\frac{dU_e/dR}{4\pi R^2} =\frac{q^2}{32\pi^2\varepsilon_0R^4}. \]
يقتضي الاتزان الميكانيكي أن \[ P_i+p_e=P_a. \] عند \(R=R_1\)، \[ P_a\frac{R_0^3}{R_1^3} +\frac{q^2}{32\pi^2\varepsilon_0R_1^4} =P_a. \] بالضرب في \(R_1^4/P_a\) نحصل على \[ \boxed{ R_1^4-R_0^3R_1-\frac{q^2}{32\pi^2\varepsilon_0P_a}=0 }. \] للشحنة غير المنعدمة، يحقق الحل الفيزيائي \(R_1>R_0\).
2.7
لنضع \[ x=\frac{\Delta R}{R_0}\ll1, \qquad R_1=R_0(1+x). \] تصبح معادلة الجزء 2.6 \[ R_0^4\big[(1+x)^4-(1+x)\big] =\frac{q^2}{32\pi^2\varepsilon_0P_a}. \] إلى الرتبة الأولى، \[ (1+x)^4-(1+x)\simeq(1+4x)-(1+x)=3x. \] إذن \[ 3R_0^4x=\frac{q^2}{32\pi^2\varepsilon_0P_a}, \] و \[ \boxed{ \Delta R\simeq\frac{q^2}{96\pi^2\varepsilon_0P_aR_0^3} }. \]
2.8
يزيد الشحن حجم الهواء المزاح، بينما تبقى كتلة الفقاعة الكلية دون تغير.
قبل الشحن، تساوي كثافة الهواء الداخلي \(\rho_a\)، لأن التوتر السطحي مُهمَل الآن، ولأن ضغطه ودرجة حرارته يساويان قيمتيهما في الوسط المحيط. ولذلك تكون كتلته \[ m_i=\rho_aV_0. \] وكتلة الصابون المحفوظة هي \[ m_s=4\pi R_0^2t\rho_s. \] هنا \(t\) هو السمك الأصلي؛ ويصبح الغشاء أرق عند تمدده.
يتطلب الطفو المتعادل بعد الشحن أن \[ \rho_aV_1g=(\rho_aV_0+m_s)g. \] ومن ثم \[ \rho_a\frac43\pi(R_1^3-R_0^3) =4\pi R_0^2t\rho_s, \] أو \[ R_1^3-R_0^3=\frac{3\rho_stR_0^2}{\rho_a}. \]
لتمدد صغير، \[ R_1^3-R_0^3\simeq3R_0^2\Delta R, \] فتكون الزيادة المطلوبة في نصف القطر \[ \Delta R\simeq\frac{\rho_st}{\rho_a}. \] عدديًا، \[ \Delta R\simeq \frac{1000(1.00\times10^{-7})}{1.30} =7.69\times10^{-5}\ \mathrm m, \qquad \frac{\Delta R}{R_0}\simeq0.00769. \]
بمساواة هذه الزيادة بنتيجة الجزء 2.7 نحصل على \[ \frac{q^2}{96\pi^2\varepsilon_0P_aR_0^3} =\frac{\rho_st}{\rho_a}, \] وبالتالي \[ \boxed{ |q|\simeq \sqrt{\frac{96\pi^2\varepsilon_0P_a\rho_stR_0^3}{\rho_a}} }. \] يعطي التعويض \[ |q|\simeq \sqrt{ \frac{ 96\pi^2(8.85\times10^{-12})(1.013\times10^5) (1000)(1.00\times10^{-7})(1.00\times10^{-2})^3 }{1.30} }, \] ومن ثم \[ \boxed{|q|\simeq2.56\times10^{-7}\ \mathrm C=0.256\ \mu\mathrm C}. \]
يمكن أيضًا الحصول على النتيجة دون إجراء تقريب خطي للتمدد. يعطي الطفو المتعادل \[ R_1=R_0\left(1+\frac{3\rho_st}{\rho_aR_0}\right)^{1/3}. \] بدمج هذه العلاقة مع الجزء 2.6، \[ q^2 =32\pi^2\varepsilon_0P_aR_1(R_1^3-R_0^3) =\frac{96\pi^2\varepsilon_0P_a\rho_stR_0^2R_1}{\rho_a}. \] إذن تكون النتيجة في تقريب الغشاء الرقيق، من دون إجراء التوسع، \[ \boxed{ |q|= \sqrt{\frac{96\pi^2\varepsilon_0P_a\rho_stR_0^3}{\rho_a}} \left(1+\frac{3\rho_st}{\rho_aR_0}\right)^{1/6} =2.57\times10^{-7}\ \mathrm C }. \] تنتج كلتا إشارتي الشحنة التمدد نفسه، لأن الضغط الكهربائي يعتمد على \(q^2\).
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي.