Из области фантастики
16 баллов. В кубическом сосуде с ребром находится моля криптона в равновесном состоянии с температурой . В некоторый момент времени неким фантастическим способом изменяются законы соударения молекул криптона с внутренними стенками сосуда: теперь эти соударения с вероятностью являются упругими, а с вероятностью — абсолютно неупругими.
Оцените время после воздействия, за которое давление на стенки сосуда уменьшится на по сравнению с тем, что было до воздействия. За какое время это давление уменьшится в два раза? Какая масса криптона «осядет» на стенках сосуда к этому моменту времени? Молярная масса криптона , универсальная газовая постоянная .
Решение.
При абсолютно неупругих соударениях передача импульса от газа к стенке в раза меньше, чем при упругом. Средняя передача импульса после воздействия
(здесь — передача импульса при упругих соударениях). Следовательно, при той же концентрации и скорости молекул давление газа на наши «необычные» стенки будет на меньше, чем для «обычных» стенок. Значит, сразу после воздействия давление «мгновенно» падает на . Ясно, что для уменьшения давления на оно должно упасть еще примерно на от начального (при оценочном вычислении пренебрежем отличием от ).
Второй эффект, который повлияет на давление, связан с тем, что при абсолютно неупругом соударении молекулы «прилипают» к стенкам, и масса газа в сосуде (а вместе с ней и концентрация молекул газа) уменьшается. При этом средняя кинетическая энергия поступательного движения у оставшихся молекул практически не изменяется. Таким образом, после воздействия давление в сосуде будет уменьшаться примерно пропорционально массе газа.
Количество молекул, прилипающих к стенкам общей площадью за малое время , можно оценить как
где — средняя скорость молекул с массой , которую можно считать примерно равной
Поэтому скорость убыли массы
Значит,
Таким образом, время уменьшения массы (и, как мы поняли, давления) еще на равно
Это и есть требуемая оценка. При этом на стенках осядет примерно от начальной массы криптона:
Для больших изменений давления нам нужно учесть зависимость скорости изменения массы от массы, то есть решить уравнение
Суммирование приращений приводит к зависимости , в которой
Зависимость давления о времени
и снижение давления в два раза происходит к моменту времени
Масса «захваченного» стенками криптона
то есть немного меньше половины общей массы.
Ответ. Давление в сосуде упадет на примерно спустя время после воздействия, в два раза — примерно спустя , за это время на стенках «осядет» криптона.
Изучено влияние поглощения молекул стенками на давление
Показано, что средний передаваемый импульс при ударе о стенку с поглощением составляет от среднего передаваемого импульса для упругой стенки
Указано, что давление сразу после воздействия падает на
Указано, что для понижения давления на оно должно уменьшиться еще примерно на от первоначального
Изучено уменьшение массы газа и его влияние на давление
Правильно вычислена скорость убыли массы газа через температуру и концентрацию молекул (массу газа)
Корректно доказано, что давление падает пропорционально массе газа
Получен правильный закон убыли массы газа для конечных времен
Получение ответов
Получена правильная оценка
Получена правильная оценка
Получена правильная оценка ; если ответ попадает только в интервал — оценка балла; ответ без численного значения или с неправильным численным ответом — балл