В сосуд с ртутью при 27 опущена запаянная сверху
Сегодняшняя статья посвящена довольно сложным задачам. Их можно отнести и к изопроцессам, и к гидростатике, и к задачам, связанным с использованием уравнения Менделеева-Клапейрона.
Задача 1. Пробирка, расположенная горизонтально, заполнена ртутью так, что между дном пробирки и ртутью имеется пузырек воздуха. Когда пробирка ставится вертикально открытым концом вверх, объем пузырька уменьшается втрое. Чему равно атмосферное давление, если известно, что диаметр пробирки мм и содержит она г ртути?
К задаче 1
Давайте запишем закон Бойля-Мариотта, так как очевидно, что температура во время поворотов пробирки одна и та же.
Можно сразу подставить объемы: если принять первоначальный объем пузырька воздуха за , тогда после поворота объем станет :
Откуда
Теперь подумаем о давлениях. Вначале давление пузырька на ртутный столбик равно атмосферному, иначе бы столбик ртути начал бы перемещаться из-за разности давлений на него внутри и снаружи. Затем, когда пробирку поставили вертикально, давление пузырька увеличилось на величину давления столбика ртути – . Поэтому
Домножаем на 3:
Определим теперь, какова же длина столбика ртути в пробирке.
Ответ: 101859 Па или 102 кПа.
Задача 2. Посередине запаянной с обоих концов горизонтальной трубки находится столбик ртути длиной 10 см. В обеих половинах трубки находится воздух под давлением мм.рт.ст. Длина трубки м. На какое расстояние сместится столбик ртути, если трубку поставить вертикально?
К задаче 2
Ртуть занимает 10 см, следовательно, воздух – 90 см. По 45 см с обеих сторон. Тогда по закону Бойля-Мариотта
И
Преобразуем:
Где – давление в верхней части трубки над столбиком ртути после поворота, – давление в нижней части трубки под столбиком ртути после поворота, и – новые объемы, занимаемые воздушными пузырями.
Для новых установившихся давлений можно записать:
Подставим ранее выраженные давления:
Теперь вспомним, что м.
Тогда
После подстановки всех известных данных и преобразований получим
Корни 0,42 и 7,075 – второй, очевидно, смыслу задачи не соответствует.
Итак, получили, что столбик ртути сместился на 3 см – так как воздух в нижней части трубки теперь занимает 42 см по высоте, а не 45.
Ответ: на 3 см.
Задача 3. В стеклянной трубке находится воздух, закрытый столбиком ртути длиной см. Если держать трубку открытым концом вверх, то длина воздушного столбика см. Если держать трубку открытым концом вниз, то длина воздушного столбика см. Определить атмосферное давление.
К задаче 3
Запишем уравнения равновесия давлений для обоих положений трубки:
Давление столбика ртути посчитать несложно:
Согласно уравнению Бойля-Мариотта
То есть
Вычитание двух первых уравнений дает:
Тогда, возвращаясь ко второму уравнению, имеем:
Ответ: 97920 Па.
Задача 4. Открытую с обеих сторон узкую трубку погружают в ртуть так, что над ртутью выступает конец см. Трубку закрывают и поднимают еще на расстояние см. Какую часть трубки при этом занимает воздух? Атмосферное давление мм.рт.ст.
Сначала воздух занимал объем , затем – больший. Давление его вначале равно атмосферному. Затем из-за изменения объема оно станет меньше. Соблюдается закон Бойля-Мариотта:
Условие равновесия давлений таково: вниз давит воздух и столбик ртути, снизу вверх – атмосфера:
Подставляем давление , выраженное из закона Бойля-Мариотта:
Высота столбика ртути в трубке равна .
Подставим численные данные:
Корнем этого уравнения является . Воздух займет, таким образом, 15,7 см. Или 30,2%.
Ответ: 30,2% (15,7 см).
Задача 5. В мензурке высотой м и сечением см, закрытой тонким невесомым поршнем, находится газ, молярная масса которого кг/моль. Поршень опускают и освободившуюся часть мензурки до краев заливают ртутью. При каких значениях температуры газа можно найти такое положение поршня, при котором поршень будет находиться в равновесии (т.е. ртуть, налитая в мензурку, не будет выбрасываться давлением газа)? Масса газа в мензурке г, внешним атмосферным давлением пренебречь.
Чтобы ртуть не выплеснулась, давление газа должно быть меньшим или равным давлению ее столба. Пусть газ занял объем , а ртуть – :
Применим уравнение Менделеева-Клапейрона:
Подставим:
Таким образом,
Но! У нас в правой части произведение двух взаимозависимых, но неизвестных нам величин: . Чтобы их найти (или их произведение), предположим, что поршень сдвинулся вверх на малую величину . Тогда можно для такого малого изменения записать:
Здесь
А
Следовательно,
Последним слагаемым можно пренебречь в силу его малости. Поэтому
Вернемся к температуре:
Ответ: К.
Источник
1
В два сосуда конической формы, расширяющихся кверху и книзу, и цилиндрический налита вода при температуре T = 100 °C. Как изменится давление на дно сосудов после охлаждения воды до комнатной температуры?
Ответ
В сосуде конической формы, расширяющемся кверху, давление на дно увеличится. В сосуде конической формы, расширяющемся книзу, давление на дно уменьшится. В цилиндрическом сосуде давление на дно не изменится.
2
Две линейки — одна медная, другая железная — наложены одна на другую так, что они совпадают только одним концом. Определить длины линеек при t = 0 °C, зная, что разность их длин при любой температуре составляет Δl = 10 см. Коэффициент линейного расширения меди α1 = 17·10-6 К-1, железа — α2 = 12·10-6 К-1.
Ответ
Длина медной линейки 24 см, длина железной — 34 см.
3
Часы, маятник которых состоит из груза малых размеров и легкой латунной нити, идут правильно при 0 °C. Найти коэффициент линейного расширения латуни, если при повышении температуры до t = +20 °C часы отстанут за сутки на 16 с.
Ответ
4
На сколько часы будут уходить вперед за сутки при t0 = 0 °C. если они выверены при t = 20 °C, и материал, из которого сделан маятник, имеет коэффициент линейного расширения α = 0,000012 К-1?
Ответ
5
При t0 = 0 °С часы спешат в сутки на τ = 20 с. При какой температуре часы будут идти точно? Коэффициент линейного расширения материала маятника α = 1,9·10-5 К-1.
Ответ
6
Какую силу F надо приложить к стальному стержню сечением S = 1 см2, чтобы растянуть его на столько же, на сколько он удлиняется при нагревании на Δt = 1 °С? Коэффициент линейного расширения α = 12·10-6 К-1. Модуль Юнга E = 2,1·1011 Н/м2.
Ответ
7
Толщина биметаллической пластинки, составленной из одинаковых полосок стали и цинка, равна d = 0,1 см. Определить радиус кривизны r пластинки при повышении температуры на Δt = 11 °С. Коэффициент линейного расширения цинка α1= 25·10-6 К-1, а стали α2 = 12·10-6 К-1.
Ответ
8
Концы стального стержня сечением S = 1 см2, находящегося при температуре t = 20 °С, прочно закреплены. С какой силой стержень будет действовать на опоры, если его нагреть до t1 = 200 °С? Модуль Юнга стали E = 2,0·1011 Н/м2, коэффициент линейного расширения α =1,2·10-5 К-1?
Ответ
9
Каково давление газа p0 в электрической лампочке, объем которой V = 1 л, если при отламывании кончика последней под поверхностью воды на глубине h = 1 м в лампочку вошло m = 998,7 г воды? Атмосферное давление нормальное.
Ответ
10
Стеклянный баллон объемом V = 1 л был наполнен испытуемым газом до давления p = 105 Па и взвешен. Его вес оказался равным Q = 0,9898 Н. Затем часть газа была удалена так, что давление в баллоне упало до р1 = 5·104 Па. Новый вес баллона оказался равным Q1 = 0,9800 Н. Какова плотность испытуемого газа при нормальном атмосферном давлении? Температура постоянна.
Ответ
11
В ртутный барометр попал пузырек воздуха, вследствие чего барометр показывает давление меньше истинного. При сверке его с точным барометром оказалось, что при давлении p = 768 мм рт. ст. барометр показывает р’ = 748 мм рт. ст., причем расстояние от уровня ртути до верхнего основания трубки l = 80 мм. Каково истинное давление, если барометр показывает p’1= 734 мм рт. ст.? Температура воздуха постоянная.
Ответ
12
Открытую стеклянную трубку длиной l = 1 м наполовину погружают в ртуть. Затем трубку закрывают пальцем и вынимают. Какой длины столбик ртути останется в трубке? Атмосферное давление равно H = 750 мм рт. ст.
Ответ
13
В запаянной с одного конца стеклянной трубке длиной l = 90 см находится столбик воздуха, запертый сверху столбиком ртути высотой h = 30 см; столбик ртути доходит до верхнего края трубки. Трубку осторожно переворачивают открытым концом вниз, причем часть ртути выливается. Какова высота столбика ртути, которая останется в трубке, если атмосферное давление H = 750 мм рт. ст.?
Ответ
14
В сосуд со ртутью опускают открытую стеклянную трубку, оставляя над поверхностью конец длиной l = 60 см. Затем трубку закрывают и погружают еще на 30 см. Определить высоту столба воздуха в трубке. Атмосферное давление p0 = 760 мм рт. ст.
Ответ
15
Барометрическая трубка погружена в глубокий сосуд с ртутью так, что уровни ртути в трубке и в сосуде совпадают. При этом воздух в трубке занимает столб длиной l см. Трубку поднимают на l‘ см. На сколько сантиметров поднимается ртуть в трубке? Атмосферное давление равно H см рт. ст.
Ответ
.
16
Посередине откачанной и запаянной с обоих концов горизонтальной трубки длиной L = 1 м находится столбик ртути длиной h = 20 см. Если трубку поставить вертикально, столбик ртути сместится на l = 10 см. До какого давления была откачана трубка? Плотность ртути ρ = 1,36·104 кг/м.
Ответ
17
Расположенная горизонтально запаянная с обоих концов стеклянная трубка разделена столбиком ртути, на две равные части. Длина каждого столбика воздуха 20 см. Давление 750 мм рт. ст. Если трубку повернуть вертикально, ртутный столбик опускается на 2 см. Определить длину столбика ртути.
Ответ
18
Цилиндрический сосуд делится на две части тонким подвижным поршнем. Каково будет равновесное положение поршня, когда в одну часть сосуда помещено некоторое количество кислорода, в другую — такое же по массе количество водорода, если длина сосуда l = 85 см?
Ответ
19
В закрытом цилиндрическом сосуде с площадью основания S находится газ, разделенный поршнем массой M на два равных отсека. Масса газа под поршнем при этом в k раз больше массы газа над ним. Температуры газов одинаковы. Пренебрегая трением и массой газа по сравнению с массой поршня, найти давление газа в каждом отсеке.
Ответ
; .
20
Имеются два мяча различных радиусов, давление воздуха в которых одинаково. Мячи прижимают друг к другу. Какой формы будет поверхность соприкосновения?
Ответ
Выгнута в сторону мяча с большим радиусом.
21
Найти число n ходов поршня, которое надо сделать, чтобы поршневым воздушным насосом откачать воздух из сосуда емкостью V от давления p0 до давления p, если емкость насоса ΔV.
Ответ
.
22
Упругость воздуха в сосуде равна 97 кПа. После трех ходов откачивающего поршневого насоса упругость воздуха упала до 28,7 кПа. Определить отношение объемов сосуда и цилиндра насоса.
Ответ
23
Два баллона соединены трубкой с краном. В первом находится газ при давлении p = 105 Па, во втором — при p1 = 0,6·105 Па. Емкость первого баллона V1 = 1 л, второго — V2 = 3 л. Какое давление установится в баллонах (в мм рт. ст.), если открыть кран? Температура постоянная. Объемом трубки можно пренебречь.
Ответ
24
Три баллона емкостями V1 = 3 л, V2 = 7 л и V3 = 5 л наполнены соответственно кислородом (p1 = 2·105 Па), азотом (p2 = 3·105 Па) и углекислым газом (p3 = 6·104 Па), при одной и той же температуре. Баллоны соединяют между собой, причем образуется смесь той же температуры. Каково давление смеси?
Ответ
25
На гладком горизонтальном столе находится сосуд, разделенный перегородкой на две равные части. В одной части сосуда находится кислород, а в другой — азот. Давление азота вдвое больше давления кислорода. На сколько сдвинется сосуд, если перегородка станет проницаемой? Длина сосуда l = 20 см. Массой сосуда пренебречь. Процесс считать изотермическим.
Ответ
26
В цилиндре, закрытом легко подвижным поршнем массой m и площадью S, находится газ. Объем газа равен V. Каким станет объем газа, если цилиндр передвигать вертикально с ускорением: а) +a; б) -a? Атмосферное давление равно p0, температура газа постоянна.
Ответ
а) ; б) .
27
Начертить графики изотермического, изобарического и изохорического процессов в идеальном газе в координатах p, V; p, T; V, T. Объяснить, почему коэффициент объемного расширения идеальных газов равен термическому коэффициенту давления.
28
На рисунке изображены две изотермы одной и той же массы газа.
1. Чем отличаются состояния газов, если газы одинаковы?
2. Чем отличаются газы, если температуры газов одинаковы?
29
Как менялась температура идеального газа — увеличивалась или уменьшалась — при процессе, график которого в координатах p, V изображен на рисунке.
30
При нагревании газа получен график зависимости давления от абсолютной температуры в виде прямой, продолжение которой пересекает ось p в некоторой точке выше (ниже) начала координат. Определить, сжимался или расширялся газ во время нагревания.
31
На рисунке дан график изменения состояния идеального газа в координатах p, V.
Представить этот круговой процесс (цикл) в координатах p, T и V, T, обозначив соответствующие точки.
32
Сколько ртути войдет в стеклянный баллончик объемом 5 см3, нагретый до t1 = 400 °С, при его остывании до t2 = 16 °С, если плотность ртути при t = 16 °С равна ρ = 13,6 г/см3?
33
При какой температуре находился газ, если при нагревании его на Δt = 22 °С при постоянном давлении объем удвоился? Для каких газов это возможно?
34
До какой температуры нужно нагреть воздух, взятый при t = 20 °С, чтобы его объем удвоился, если давление останется постоянным?
35
Определить, каким был бы коэффициент объемного расширения идеального газа, если бы за начальный объем его принимали объем не при t0 =0°С, а при t1 = 100 °С?
36
В цилиндре, площадь основания которого равна S = 100 см2, находится воздух при температуре t1 = 12 °С. Атмосферное давление p1 = 101 кПа. На высоте h1 = 60 см от основания цилиндра расположен поршень. На сколько опустится поршень, если на него поставить гирю массой m = 100 кг, а воздух в цилиндре при этом нагреть до t2 = 27 °С? Трение поршня о стенки цилиндра и вес самого поршня не учитывать.
37
Два одинаковых баллона, содержащие газ при t = 0 °С, соединены узкой горизонтальной трубкой диаметром d = 5 мм, посередине которой находится капелька ртути.
Капелька делит весь сосуд на два объема по V = 200 см3. На какое расстояние x переместится капелька, если один баллон нагреть на Δt = 2 °С, а другой на столько же охладить? Изменением объемов сосудов пренебречь.
38
Два одинаковых сосуда соединены трубкой, объемом которой можно пренебречь. Система наполнена газом и находится при абсолютной температуре T. Во сколько раз изменится давление в такой системе, если один из сосудов нагреть до абсолютной температуры T1, а другой поддерживать при прежней температуре T?
39
1. В горизонтально расположенном сосуде, разделенном легко подвижным поршнем, находятся с одной стороны от поршня m1 граммов кислорода, а с другой — m2 граммов водорода. Температуры газов одинаковы и равны T0. Каким будет отношение объемов, занимаемых газами, если температура водорода останется равной T0, а кислород нагреется до температуры T1?
2. Вертикально расположенный сосуд разделен на две равные части тяжелым теплонепроницаемым поршнем, который может скользить без трения. В верхней половине сосуда находится водород при температуре T и давлении p. В нижней части — кислород при температуре 2T. Сосуд перевернули. Чтобы поршень по-прежнему делил сосуд на две равные части, пришлось охладить кислород до температуры T/2. Температура водорода осталась прежней. Определить давление кислорода в первом и втором случаях.
40
На некоторой высоте давление воздуха p = 3·104 Па, а температура t = -43 0С. Какова плотность воздуха на этой высоте?
41
Определить давление кислорода, масса которого m = 4 кг, заключенного в сосуд емкостью V = 2 м3, при температуре t = 29 °С.
42
Определить удельный объем азота при температуре 27 °С и давлении p = 4,9·104 Па.
43
Определить массу кислорода, заключенного в баллоне емкостью V = 10 л, если при температуре t = 13 °С манометр на баллоне показывает давление p = 9·106 Па.
44
Какова разница в массе воздуха, заполняющего помещение объемом V = 50 м3, зимой и летом, если летом температура помещения достигает t1 = 40 °С, а зимой падает до t2 = 0 °С? Давление нормальное.
45
Сколько молекул воздуха выходит из комнаты объемом V0 = 120 м3 при повышении температуры от t1 = 15 °С до t2 = 25 °С? Атмосферное давление p0 = 105 Па.
46
Компрессор захватывает при каждом качании V0 = 4 л воздуха при атмосферном давлении p = 105 Па и температуре t0 = -3 °С и нагнетает его в резервуар емкостью V = 1,5 м3, причем температура воздуха в резервуаре держится около t1 = 45 °С. Сколько качаний должен сделать компрессор, чтобы давление в резервуаре увеличилось на Δp = 1,96·105 Па?
47
На весах установлены два одинаковых сосуда. Один заполнен сухим воздухом, другой — влажным (насыщенный водяными парами) при одинаковых давлениях и температурах. Какой из сосудов тяжелее?
48
По газопроводу течет углекислый газ при давлении p = 5·105 Па и температуре t = 17 °С. Какова скорость движения газа в трубе, если за τ = 5 мин через площадь поперечного сечения трубы S = 6 см2 протекает m = 2,5 кг углекислого газа?
49
Из баллона со сжатым водородом емкостью V = 10 л вследствие неисправности вентиля утекает газ. При температуре t1 = 7 °С манометр показывал p = 5·106 Па. Через некоторое время при температуре t2 = 17 °С манометр показал такое же давление. Сколько утекло газа?
50
Какая часть газа осталась в баллоне, давление в котором было равно p = 1,2·107 Па, а температура t = 27 °С, если давление упало до p1 = 105 Па? Баллон при этом охладился до t1 = -23 °С.
51
До какой температуры нужно нагреть запаянный шар, содержащий m = 17,5 г воды, чтобы шар разорвался, если известно, что стенки шара выдерживают давление 107 Па, а объем шара V = 1 л?
52
В цилиндре объемом V, заполненном газом, имеется предохранительный клапан в виде маленького цилиндрика с поршнем. Поршень упирается в дно цилиндра через пружину жесткости k.
При температуре T1 поршень находится на расстоянии l от отверстия, через которое газ выпускается в атмосферу. До какой температуры T2 должен нагреться газ в цилиндре, для того чтобы клапан выпустил часть газа в атмосферу? Площадь поршня S, масса газа в цилиндре m, его молярная масса µ. Объем цилиндрика клапана пренебрежимо мал по сравнению с объемом цилиндра.
53
В баллоне емкостью V = 110 л помещено m1 = 0,8 кг водорода и m2 = 1,6 кг кислорода. Определить давление смеси на стенки сосуда. Температура окружающей среды t = 27 °С.
54
В сосуде объемом 1 л заключено m = 0,28 г азота. Азот нагрет до температуры T = 1500 °С. При этой температуре α = 30% молекул азота диссоциировано на атомы. Определить давление в сосуде.
55
В сосуде находится смесь азота и водорода. При температуре T, когда азот полностью диссоциирован на атомы, давление равно p (диссоциацией водорода можно пренебречь). При температуре 2T, когда оба газа полностью диссоциированы, давление в сосуде 3p. Каково отношение масс азота и водорода в смеси?
56
Оболочка аэростата объемом V = 1600 м3, находящегося на поверхности Земли, наполнена водородом на n = 7/8 при давлении p = 101 кПа и температуре t = 15 °С. Аэростат поднялся на некоторую высоту, где давление p1 = 79,3 кПа и температура t1 = 2 °С. Сколько водорода потерял аэростат при своем подъеме в результате расширения газа?
57
Доказать, что в атмосфере с постоянной температурой независимо от закона изменения давления с высотой подъемная сила воздушного шара с эластичной оболочкой постоянна. Газ из воздушного шара не вытекает. Пренебречь давлением, обусловленным кривизной оболочки.
Источник