Zadania z fizyki - XII 2020»Zadanie 1014
o zadaniu...
- Zadanie pochodzi z artykułu Zadania z fizyki - XII 2020
- Publikacja w Delcie: grudzień 2020
- Publikacja elektroniczna: 1 grudnia 2020
Szereg promieniotwórczy rozpoczynający się izotopem
U, o czasie połowicznego rozpadu
lat, kończy stabilny izotop
Pb. Jaką objętość
w warunkach normalnych, wypełniłby dzisiaj hel, który powstał w wyniku rozpadu
obecnego w chwili powstania Ziemi? Wiek Ziemi oceniany jest na
lat.
U

Pb. Na każdej drodze uwalnianych jest 8 cząstek 
U
U. Z
U

He. W
C, ciśnienie 101
) hel jest gazem o


He wypełniłby objętość
wymaga dostarczania strumienia energii (ciepła) w ilości
Ile wynosi utrzymywana różnica temperatur
Współczynnik przewodnictwa cieplnego miedzi
Straty ciepła przez krawędzie boczne płyty pomijamy.
potrzebny do tego, żeby między powierzchniami płyty utrzymywała się stała różnica temperatur
jest proporcjonalny do
i odwrotnie proporcjonalny do grubości płyty
:
Wm
różnica temperatur wynosi więc: 
Przy tej samej różnicy temperatur wydajność wymiany ciepła poprzez promieniowanie bardzo szybko rośnie ze wzrostem temperatury - proporcjonalnie do 
energii promieniowania termicznego padającego na jego powierzchnię. Zgodnie z prawem Kirchhoffa takie ciało emituje ułamek
energii promieniowanej przez ciało doskonale czarne o równej mu temperaturze. Współczynnik
nazywany jest w związku z tym względną zdolnością emisyjną.
utrzymywana jest w temperaturze
K, a powierzchnia B, o
w temperaturze
K. Ile wynosi wypadkowy strumień
energii promieniowania termicznego przepływającej między tymi powierzchniami? Stała Stefana-Boltzmanna
Odległość między powierzchniami jest mała w porównaniu z ich rozmiarami i efekty brzegowe można zaniedbać.
energii padającej na jego powierzchnię, to z zasady zachowania energii wynika, że pozostały ułamek
energii jest przez tę powierzchnię odbijany i rozpraszany do otoczenia. Przyjrzyjmy się energii docierającej od ciała A do B. Emitowany przez powierzchnię A strumień energii, równy
w całości dociera do B. Tam jego część
jest przez B absorbowana, a część
jest rozpraszana (odbijana) i w całości wraca do A (obie powierzchnie traktujemy jak nieskończone płaszczyzny - zaniedbujemy efekty brzegowe), gdzie jej część
jest absorbowana, a część
odbijana itd. Od A do B, w wyniku nieskończonej liczby odbić, dociera więc strumień energii:
docierającego od B do A, ale z
w miejscu
Ostatecznie, poszukiwany strumień
energii netto przepływającej między ciałami wynosi
Po podstawieniu danych liczbowych: 
g, przyspieszenie ziemskie
stała gazowa
W rozważanych warunkach powietrze spełnia równanie stanu gazu doskonałego.
rozszerza się i wznosi pod wpływem siły wyporu, aż osiągnie wysokość
na której jej gęstość zrówna się z gęstością otaczającego gazu. Ze względu na bardzo małe przewodnictwo cieplne wznosząca się "porcja" powietrza podlega przemianie adiabatycznej. Zgodnie z I zasadą termodynamiki zmiana energii wewnętrznej gazu
w tej przemianie równa jest pracy sił zewnętrznych działających na gaz:
oznacza ciśnienie zewnętrzne, a
zmianę objętości gazu. Zmiana energii wewnętrznej gazu doskonałego
gdzie
oznacza liczbę moli gazu,
- jego molowe ciepło właściwe w stałej objętości, a
zmianę temperatury. Na podstawie równania stanu gazu doskonałego mamy też:

mamy
Dostajemy równanie:
oraz
otrzymujemy warunek:

do
, jeżeli temperatura powietrza pozostaje stała i wynosi
C? Gęstość lodu wynosi
ciepło topnienia
, współczynnik przewodnictwa cieplnego lodu wynosi 
C, natomiast dolna, stykająca się z wodą ma temperaturę
C, równą temperaturze zamarzającej wody. Ciepło przepływa od cieplejszej wody pod powierzchnią lodu do zimniejszego powietrza nad jego powierzchnią i podczas całego procesu różnica temperatur
K pozostaje stała, ale rośnie grubość lodu. Powstanie warstwy lodu o grubości
i polu powierzchni
wymaga odebrania ciepła
Szybkość przepływu ciepła jest proporcjonalna do powierzchni, różnicy temperatur
i odwrotnie proporcjonalna do grubości lodu
(tzn. jest proporcjonalna do szybkości zmian temperatury z grubością) i wynosi:


i końcowej
:

godziny.
do
. Oszacuj, jaka byłaby średnia temperatura powierzchni Ziemi, gdyby nie ogrzewało jej Słońce. Dla skał przyjmij średni współczynnik przewodnictwa cieplnego
Stała Stefana-Boltzmanna 

oznacza głębokość. Strumień energii wypromieniowanej z powierzchni:
Dla powierzchni Ziemi
jest bliskie 1, a dla materiałów tworzących skały powierzchniowe mieści się w granicach 
oraz
. Równość obu strumieni energii prowadzi do oszacowania:
, a więc prowadzi do co najwyżej 
Th o czasie połowicznego rozpadu
lat,
lat oraz
lat.
, dla Marsa
. Strumień energii słonecznej docierającej do Ziemi (stała słoneczna)
stała Stefana-Boltzmanna
Duża półoś orbity Marsa
au (
m oznacza tzw. jednostkę astronomiczną równą dużej półosi orbity Ziemi
).
oznacza promień Ziemi. Przyjmując, że Ziemia promieniuje jak ciało doskonale czarne o temperaturze
jej powierzchnia wypromieniowuje w jednostce czasu energię równą:


i
Duża różnica obliczonej i mierzonej temperatury dla Ziemi jest wynikiem istnienia atmosfery (ciśnienie "atmosferyczne" na Marsie wynosi
) i związanego z nią efektu cieplarnianego.





























na izobarze wykonana zostaje nad nim praca
Oblicz sprawność cyklu.
Praca uzyskana w cyklu
gdzie
jest ciepłem pobranym na izochorze,
oznacza liczbę moli,
jest molowym ciepłem właściwym przy stałej objętości dla gazu jednoatomowego. Z równania Clapeyrona
gdzie
jest ciśnieniem na izobarze,
i
to objętości odpowiednio na początku i końcu tej przemiany. Stąd 

współczynnik napięcia powierzchniowego wody
Zakładamy, że temperatura kropli nie zmienia się.
Objętość kropli maleje wtedy o
a masa wyparowanej przy tym wody jest równa
gdzie
jest gęstością wody. Ciepło potrzebne do wyparowania masy
wody wynosi
Pole powierzchni kropli maleje o
Energia powierzchniowa maleje przy tym o
Z bilansu energetycznego
otrzymujemy
i grubości
. Jeden z końców płytki został sztywno zamocowany. O ile przesunie się jej drugi koniec po ogrzaniu płytki o
K? Współczynniki rozszerzalności temperaturowej metali wynoszą
i
Rozszerzalność temperaturowa oznacza zmianę rozmiarów liniowych ciała według prawa: 
bimetaliczna płytka wygnie się w łuk, a jej zewnętrzne powierzchnie będą łukami o długościach
oraz
odpowiadającymi kątowi
(miara łukowa) i okręgom o promieniach, odpowiednio,
i
a więc:
Ostatecznie:
dla otrzymania przybliżonej równości zastosowano przybliżenie
Po podstawieniu danych liczbowych otrzymujemy
.
pierwiastków w stanie stałym są w przybliżeniu równe
gdzie
oznacza stałą gazową. Jak można wyjaśnić tę prawidłowość (prawo Dulonga-Petita)? Uogólnij to prawo na przypadek związków chemicznych i na tej podstawie wyznacz przybliżoną wartość molowego ciepła właściwego tlenku żelaza FeO.
energia drgań każdego z atomów wynosi
to znaczy: po
na każdy ze stopni swobody (zmiana energii potencjalnej i kinetycznej drgań w każdym z trzech kierunków przestrzennych;
jest stałą Boltzmanna). Takie samo rozumowanie prowadzi do wniosku, że dla związku chemicznego w stanie stałym każdy z atomów też da wkład
do energii wewnętrznej kryształu. Wniosek: w stanie stałym ciepło molowe związku o
atomach w cząsteczce wynosi w przybliżeniu
(prawo Koppa-Neumanna). Dla FeO, 
gdzie
jest gęstością gazu,
jest średnią prędkością wypływających cząstek, a
powierzchnią otworu. Na podstawie równania stanu gazu stwierdzamy, że gęstość gazu w pojemniku pod ciśnieniem
w temperaturze
jest proporcjonalna do
Średnia energia kinetyczna cząsteczek gazu jest proporcjonalna do temperatury
a więc średnia wartość prędkości jest proporcjonalna do
Na tej podstawie stwierdzamy, że:
oznacza proporcjonalność). W warunkach określonych w zadaniu z pierwszego z pojemników tlen ulatnia się więc
raza szybciej niż z drugiego, mimo że, jak łatwo sprawdzić, początkowo w obu pojemnikach znajdowały się takie same ilości gazu.
moli jednoatomowego gazu doskonałego. Tłok może przemieszczać się w cylindrze bez tarcia, cylinder i tłok są izolowane cieplnie od otoczenia. Ciśnienie zewnętrzne wynosi
temperatura gazu w cylindrze
W pewnej chwili ciśnienie zewnętrzne wzrasta skokowo do wartości
a po ustaleniu się stanu równowagi spada skokowo do pierwotnej wartości. Znaleźć i porównać temperatury gazu w skrajnych stanach równowagi.
Oznaczmy objętość gazu po zwiększeniu ciśnienia do
i ustaleniu się równowagi przez
a temperaturę w tym stanie przez
Przemiana jest adiabatyczna, ale nie kwazistacjonarna, korzystamy więc z pierwszej zasady termodynamiki:
gdzie
jest zmianą energii wewnętrznej, a praca wykonana nad gazem jest dodatnia i wynosi
Stąd temperatura w stanie równowagi po sprężeniu gazu wynosi
a temperaturę przez
i ponownie korzystając z pierwszej zasady termodynamiki oraz równań Clapeyrona, otrzymujemy równanie:
Stąd temperatura w stanie końcowym dana jest wzorem
i masach odpowiednio
Wewnątrz cylindra znajduje się tłok o masie
który jest przepuszczalny tylko dla gazu pierwszego. Początkowo tłok znajduje się przy górnej podstawie cylindra, a następnie zostaje puszczony swobodnie. Ile moli gazu pierwszego znajdować się będzie po ustaleniu się równowagi powyżej tłoka? Temperatura układu jest stała i wynosi
Tarcie tłoka o ścianki można zaniedbać. Wysokość cylindra (nie uwzględniając grubości tłoka) jest równa 

w obu częściach cylindra jest taka sama, liczba moli gazu pierwszego w jednostce objętości po obu stronach tłoka musi być jednakowa, zatem jednakowe jest też ciśnienie
gazu pierwszego po obu stronach tłoka. Niech
oznacza ciśnienie gazu nieprzenikającego przez tłok w dolnej części cylindra. Warunek równowagi tłoka ma postać
gdzie
jest polem powierzchni tłoka. Korzystając z równania Clapeyrona dla gazu drugiego, otrzymujemy wyrażenie na odległość
tłoka od dolnej podstawy cylindra:
a w dolnej przez
Zachodzi związek
Spełnione są też równania Clapeyrona:
oraz
Rozwiązując powyższy układ równań, otrzymujemy szukaną liczbę moli gazu w górnej części naczynia:

moli jednoatomowego gazu doskonałego, w prawej części jest próżnia. Ile ciepła musi pobrać gaz (np. od umieszczonej w naczyniu spirali grzewczej), aby jego temperatura wzrosła o
Pojemność cieplną naczynia, tłoka i sprężyny zaniedbujemy.
pobrane przez gaz, powoduje przyrost
jego energii wewnętrznej oraz zwiększenie energii potencjalnej sprężyny:
jest współczynnikiem sprężystości, a
i
są odkształceniami sprężyny w stanach końcowym i początkowym. Dla gazu jednoatomowego
oraz z równań Clapeyrona
gdzie
a
jest ciśnieniem gazu,
jego temperaturą,
powierzchnią tłoka, otrzymujemy związki
Szukane ciepło wynosi
i powtarzał jej pomiar w równych odstępach czasu. Dziesiątemu i jedenastemu pomiarowi odpowiadały odpowiednio temperatury
i
Jaki ułamek masy mokrego śniegu stanowiła woda? Ciepło właściwe lodu
wynosi
a ciepło topnienia lodu
wynosi 
to temperatura śniegu wyniosła
po czasie
a
po czasie
przy czym po czasie
cała zawarta w śniegu woda była już zamarznięta. Zapiszemy bilans cieplny, przyjmując, że prędkość odprowadzania ciepła w zamrażarce jest stała:
jest energią odprowadzaną w jednostce czasu,
jest masą śniegu, a
określa ułamek masy wody w śniegu.
która wyparuje w ciągu bardzo małego czasu
przy stałej temperaturze, stałej wilgotności powietrza i braku wiatru, zależy tylko od pola powierzchni wody
:
jest współczynnikiem proporcjonalności. Zmiana poziomu wody
jest związana z
zależnością
gdzie
to gęstość wody. Stąd
, to całkowicie wyparuje ona z naczynia po 30 dobach.
Ciepło parowania wody wynosi 
potrzebne do zamiany masy
wody w parę podczas wrzenia zużywane jest na zwiększenie energii wewnętrznej oraz pracę przeciw siłom zewnętrznego ciśnienia:
gdzie
jest objętością wygotowanej wody,
objętością powstałej pary,
ciśnieniem pary nasyconej wody w temperaturze
Z równania Clapeyrona
gdzie
jest masą molową wody. Stosunek gęstości pary nasyconej i wody w temperaturze
wynosi
zatem objętość wygotowanej wody możemy pominąć w porównaniu z objętością powstałej pary. Stosunek zmiany energii wewnętrznej do pobranego ciepła dany jest wzorem
każda, powstała jedna bańka o promieniu
Oszacuj wartość jej promienia. Ciśnienie atmosferyczne wynosi
, a dla napięcia powierzchniowego
roztworu wody z mydłem przyjmij 
powoduje, że w jej wnętrzu ciśnienie jest większe od zewnętrznego o
gdzie
jest promieniem bańki. Zamknięty w bańce gaz spełnia prawo Boyle'a-Mariotte'a,
gdzie
jest ciśnieniem gazu,
jego objętością,
liczbą moli gazu,
stałą gazową, a
temperaturą w skali bezwzględnej. Oczywiście
gdzie
oznacza masę gazu, a
jego masę molową. Masa gazu zamkniętego w bańkach przed i po zderzeniu nie zmienia się, nie zmienia się też temperatura
Biorąc to wszystko pod uwagę, otrzymujemy równanie spełniane przez promień
końcowej bańki:
m, to
bardzo nieznacznie przewyższa 

słabo uderza w ścianę i deformuje się, jak pokazano na rysunku. Deformacja
jest dużo mniejsza od promienia piłki i możemy przyjąć, że ciśnienie powietrza w piłce nie zmienia się podczas uderzenia. Zaniedbując sprężystość powłoki, oszacować czas zderzenia piłki ze ścianą. Masa piłki wynosi
ciśnienie powietrza w piłce
ciśnienie atmosferyczne 

oraz siła
spowodowana ciśnieniem atmosferycznym. Zgodnie z trzecią zasadą dynamiki siła reakcji równa jest co do wartości sile nacisku piłki na ścianę. Ponieważ możemy zaniedbać sprężystość powłoki, więc
gdzie
jest promieniem powierzchni zetknięcia piłki ze ścianą (rysunek). W celu znalezienia siły
podzielmy myślowo powierzchnię piłki stykającą się z powietrzem na małe elementy o powierzchni
Na każdy element działa prostopadle do niego siła
Wobec symetrii składowe równoległe do ściany wszystkich tych sił znoszą się, siła
skierowana jest prostopadle w kierunku ściany i ma wartość
Z
jest rzutem
-tego elementu powierzchni na płaszczyznę pionową, a suma tych wielkości równa jest powierzchni styku piłki ze ścianą. Stąd
Wypadkowa siła działająca na piłkę wynosi zatem
mamy
a zwrot
jest przeciwny do deformacji
W rozważanym przybliżeniu piłka podczas zderzenia ze ścianą porusza się ruchem harmonicznym z okresem
gdzie
Czas zderzenia piłki ze ścianą równy jest połowie okresu:

pod ciśnieniem
Do wnętrza doprowadzamy pewną ustaloną ilość ciepła
(np. grzałką elektryczną). W którym przypadku ciśnienie wzrośnie bardziej: gdy całe ciepło dostarczymy do jednej części cylindra, czy gdy do każdej części dostarczymy połowę?
i
ich temperatury przez
i
ciśnienie (jednakowe) przez
a liczbę moli w każdej z części przez
Spełnione są równania
a przyrost całkowitej energii wewnętrznej w każdym z rozpatrywanych przypadków jest równy
Stąd
czyli wzrost ciśnienia nie zależy od tego podziału. (Dość podobne były przed wieloma laty zadania 198 i 257.)
tego gazu w temperaturze
aby izolacja cieplna była skuteczna, jeżeli gazem jest azot, a odległość między podwójnymi ściankami termosu wynosi
Średnica
cząsteczki azotu wynosi około
stała Avogadro
stała gazowa 
gdzie
oznacza liczbę cząsteczek gazu w jednostce objętości.
gdzie
oznacza objętość gazu,
liczbę moli gazu, a
temperaturę w skali Kelvina. Liczba cząsteczek gazu w jednostce objętości
Korzystając z równania stanu oraz warunku
otrzymujemy:
zderzają się. Ile, co najmniej, musiałaby wynosić prędkość każdej z kostek, aby w wyniku tego zderzenia kostki w całości wyparowały? Przyjmij, że w przybliżeniu ciepło właściwe lodu
ciepło właściwe wody
ciepło topnienia lodu
ciepło parowania wody 
stopnienie lodu, podgrzanie wody do
i odparowanie wody:


jednakowej w całym naczyniu, objętość gazu nad tłokiem jest
razy większa niż objętość gazu pod tłokiem. Jaki będzie stosunek tych objętości, gdy temperatura wzrośnie do wartości 
i
ciśnienia w dolnej i górnej części naczynia w temperaturze
a przez
i
odpowiednie ciśnienia w temperaturze
Różnica ciśnień związana jest z ciężarem tłoka i nie zależy od temperatury

i
to początkowa i końcowa objętość gazu w dolnej części naczynia, a
jest szukanym stosunkiem objętości w stanie końcowym. Masy gazu w obu częściach naczynia są takie same, z równań Clapeyrona wynikają więc związki
oraz
Podstawiając je do równania (1), otrzymujemy
możemy napisać równanie kwadratowe na szukaną wielkość
w postaci
Dodatni pierwiastek tego równania ma postać
Dla
co odpowiada nieważkiemu tłokowi,
czyli objętości gazów nad i pod tłokiem są takie same. Dla dowolnego
gdy temperatura dąży do nieskończoności, wartość
również dąży do 1. W bardzo wysokiej temperaturze ciśnienia gazów w obu częściach naczynia są na tyle duże, że wpływ siły ciężkości tłoka można pominąć.
mocy cieplnej. Ile wody musielibyśmy wypocić w ciągu doby, gdyby pocenie było jedynym procesem chłodzenia (tak jest, gdy temperatura otoczenia staje się bliska
)? Oszacuj, jak dużą powierzchnię
ciała musielibyśmy pozostawić odkrytą w otoczeniu o temperaturze
gdyby promieniowanie cieplne było jedynym mechanizmem chłodzenia. Dla uproszczenia zakładamy, że odzież doskonale izoluje cieplnie, a współczynnik promieniowania przez skórę jest bliski 1. Ciepło parowania wody wynosi
, a stała Boltzmanna to
.
energii. Jest to energia potrzebna do odparowania
Mamy
a zatem
a 
Powierzchnia ciała człowieka dorosłego wynosi średnio niecałe
Uwzględnienie faktu, że współczynnik emisji skóry jest mniejszy od 1, zwiększyłoby obliczoną wartość
Jak z tego widać, w normalnych warunkach pocenie, promieniowanie oraz konwekcja i przewodnictwo cieplne odgrywają istotną rolę.
i
łączą się w jedną bańkę o promieniu
Przyjmując, że napięcie powierzchniowe błonki mydlanej wynosi
a temperatura
jest jednakowa dla wszystkich rozpatrywanych baniek i równa temperaturze otaczającego powietrza, znaleźć ciśnienie atmosferyczne.
to ciśnienie powietrza w bańce,
- objętość bańki,
- masa cząsteczkowa powietrza.
to dodatkowe ciśnienie pod sferyczną powierzchnią błonki o niewielkim promieniu
a
to ciśnienie atmosferyczne.
mamy
dostajemy ostatecznie
Po obciążeniu tłoka ciężarkiem o masie
i ustaleniu się równowagi temperatura bezwzględna gazu wzrosła dwukrotnie. Cylinder i tłok wykonane są z izolatora cieplnego. Obliczyć przyrost energii wewnętrznej gazu. Pominąć tarcie między cylindrem a tłokiem.
gdzie
jest temperaturą w stanie początkowym,
liczbą moli, a
molowym ciepłem właściwym przy stałej objętości. Oznaczmy ciśnienia początkowe i końcowe w cylindrze odpowiednio przez
i
Równania Clapeyrona dla tych stanów mają postać:
jest przesunięciem tłoka, a
jego polem powierzchni. Odejmując te równania stronami, otrzymujemy
Z warunków równowagi mamy
a z pierwszej zasady termodynamiki
Stąd
uwzględniając, że
Szukana zmiana energii wewnętrznej wynosi
i woda. Pod ciśnieniem normalnym
wrze w temperaturze
C. W wyniku równomiernego ogrzewania szklanki w kąpieli wodnej, w temperaturze
rozpoczyna się wrzenie na granicy rozdziału cieczy. Jaki jest stosunek mas czterochlorku węgla i wody, które wykipią w określonym czasie przy takim "granicznym" wrzeniu? Ciśnienie pary nasyconej wody w temperaturze
wynosi 
znajduje się nasycona para wodna oraz nasycona para czterochlorku węgla, przy czym suma ich ciśnień cząstkowych równa jest ciśnieniu atmosferycznemu
Stąd ciśnienie pary nasyconej CCl
wynosi
W czasie wrzenia pęcherzyki unoszą się w górę, dochodzą do powierzchni cieczy i pękają. Zatem stosunek mas czterochlorku węgla i wody, które wyparują w określonym czasie, równy jest stosunkowi gęstości par tych substancji
jest masą molową substancji, otrzymujemy: