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: