Задача по физике В цилиндре под поршнем площадью 100 см2 находится 28 г азота при температуре 273 К. Цилиндр нагревается до температуры 373 К. На какую высоту поднимается поршень массой 100 кг? Атмосферное давление 105 Па, молярная масса азота 28 г/моль, ускорение свободного падения считать равным 10 м/с2. Ответ выразить в единицах СИ, округлить до десятых и записать в виде десятичной дроби без единиц измерения.
Теперь используем уравнение состояния идеального газа:
PV=nRT
PV = nRT PV=nRT
где
P P P — давление ПаПаПа,V V V — объем м3м³м3,n n n — количество молей,R R R — универсальная газовая постоянная (( R = 8.31 \text{ Дж/(моль·К)} )),T T T — температура ККК.
Сначала найдем начальное состояние газа при температуре 273 K. Давление атмосферное P0=105 Па P_0 = 10^5 \text{ Па} P0=105Па.
Расчитаем начальный объем газа, используя уравнение состояния:
Изменение объема связано с подъемом поршня. Площадь поршня S равна 100 см2=0.01 м2 100 \text{ см}^2 = 0.01 \text{ м}^2 100см2=0.01м2. Высоту подъема h h h можно выразить как:
ΔV=S⋅h⇒h=ΔVS=0.008330.01=0.833 м.
\Delta V = S \cdot h \Rightarrow h = \frac{\Delta V}{S} = \frac{0.00833}{0.01} = 0.833 \text{ м}. ΔV=S⋅h⇒h=SΔV=0.010.00833=0.833м.
Итак, высота, на которую поднимается поршень, равна:
h≈0.8 м (округляем до десятых).
h \approx 0.8 \text{ м} \text{ (округляем до десятых)}. h≈0.8м (округляемдодесятых).
Для решения задачи воспользуемся законом Бойля-Мариотта и уравнением состояния идеального газа.
Сначала найдем количество молей азота N2N2N2 в газе. Молярная масса азота равна 28 г/моль, а у нас 28 г:
n=mM=28 г28 г/моль=1 моль n = \frac{m}{M} = \frac{28 \text{ г}}{28 \text{ г/моль}} = 1 \text{ моль}
n=Mm =28 г/моль28 г =1 моль
Теперь используем уравнение состояния идеального газа:
PV=nRT PV = nRT
PV=nRT
где
P P P — давление ПаПаПа,V V V — объем м3м³м3,n n n — количество молей,R R R — универсальная газовая постоянная (( R = 8.31 \text{ Дж/(моль·К)} )),T T T — температура ККК.Сначала найдем начальное состояние газа при температуре 273 K. Давление атмосферное P0=105 Па P_0 = 10^5 \text{ Па} P0 =105 Па.
Расчитаем начальный объем газа, используя уравнение состояния:
[
V_1 = \frac{nRT_1}{P_0} = \frac{(1 \text{ моль}) \cdot (8.31 \text{ Дж/(моль·К)}) \cdot (273 \text{ K})}{10^5 \text{ Па}}.
]
Вычислим:
V1=8.31⋅273100000≈0.02273 м3. V_1 = \frac{8.31 \cdot 273}{100000} \approx 0.02273 \text{ м}^3.
V1 =1000008.31⋅273 ≈0.02273 м3.
Теперь найдём новое состояние газа при температуре 373 K, используя уравнение состояния:
P2=P0+ΔP P_2 = P_0 + \Delta P
P2 =P0 +ΔP
где ΔP \Delta P ΔP — это дополнительное давление, создаваемое поршнем. Это давление можем выразить через уравнение состояния для конечного объема:
V2=nRT2P2. V_2 = \frac{nRT_2}{P_2}.
V2 =P2 nRT2 .
Однако, перед этим мы можем выразить высоту поршня через начальный и конечный объем:
Увеличение температуры при постоянном количестве молей газа приведет к увеличению объёма. Мы используем закон Бойля для идеального газа:
V1T1=V2T2⇒V2=V1⋅T2T1=0.02273⋅373273. \frac{V_1}{T_1} = \frac{V_2}{T_2} \Rightarrow V_2 = V_1 \cdot \frac{T_2}{T_1} = 0.02273 \cdot \frac{373}{273}.
T1 V1 =T2 V2 ⇒V2 =V1 ⋅T1 T2 =0.02273⋅273373 .
Теперь найдём V2 V_2 V2 :
V2≈0.02273⋅1.366=0.03106 м3. V_2 \approx 0.02273 \cdot 1.366 = 0.03106 \text{ м}^3.
V2 ≈0.02273⋅1.366=0.03106 м3.
Теперь находим изменение объема:
ΔV=V2−V1≈0.03106−0.02273≈0.00833 м3. \Delta V = V_2 - V_1 \approx 0.03106 - 0.02273 \approx 0.00833 \text{ м}^3.
ΔV=V2 −V1 ≈0.03106−0.02273≈0.00833 м3.
Изменение объема связано с подъемом поршня. Площадь поршня S равна 100 см2=0.01 м2 100 \text{ см}^2 = 0.01 \text{ м}^2 100 см2=0.01 м2. Высоту подъема h h h можно выразить как:
ΔV=S⋅h⇒h=ΔVS=0.008330.01=0.833 м. \Delta V = S \cdot h \Rightarrow h = \frac{\Delta V}{S} = \frac{0.00833}{0.01} = 0.833 \text{ м}.
ΔV=S⋅h⇒h=SΔV =0.010.00833 =0.833 м.
Итак, высота, на которую поднимается поршень, равна:
h≈0.8 м (округляем до десятых). h \approx 0.8 \text{ м} \text{ (округляем до десятых)}.
h≈0.8 м (округляем до десятых).
Ответ: 0.8.