ID: 00015248
В сосуде находится два моля азота. В момент времени $t=0$ в сосуде приоткрывают клапан, через который газ начинает просачиваться из сосуда в окружающую среду. При этом температура газа в сосуде поддерживается равной $301$ К. На рисунке изображён график зависимости давления $p$ газа в сосуде от времени $t$. Выберите все верные утверждения на основании анализа представленного графика.
1) Скорость утечки газа равна $0{,}04$ моль/мин.
2) Объём сосуда равен $\approx 20$ литров.
3) Начальная концентрация газа в сосуде была равна $\approx 100\ \text{м}^{-3}$.
4) Масса газа в сосуде в начальный момент времени была равна $56$ г.
5) Средняя кинетическая энергия хаотического движения молекул газа в состоянии $1$ в три раза больше, чем в состоянии $2$.

Источник: ФИПИ
Из сосуда потихоньку утекает азот, температуру при этом держат постоянной. Раз газа становится меньше, падает и давление — и график показывает, как именно. Наша задача — снять с графика числа и проверить каждое утверждение.
Что видно на рисунке. По горизонтали отложено время $t$ в минутах (подписаны деления $20$ и $40$), по вертикали — давление $p$ в килопаскалях (подписаны $100$ и $200$). Линия прямая и идёт вниз.
Точка $1$ на графике: $t=10$ мин, $p=200$ кПа.
Точка $2$: $t=30$ мин, $p=100$ кПа.
Если продолжить прямую влево до вертикальной оси, она упирается в $p_0=250$ кПа при $t=0$ — это начальное давление. Вправо прямая доходит до нуля примерно к $t=50$ мин.
Найдём, с какой скоростью падает давление, по двум снятым точкам:
$$\frac{\Delta p}{\Delta t}=\frac{100\ \text{кПа}-200\ \text{кПа}}{30\ \text{мин}-10\ \text{мин}}=-5\ \frac{\text{кПа}}{\text{мин}}.$$Дальше всё держится на уравнении состояния идеального газа (уравнении Менделеева — Клапейрона), которое связывает давление, объём, количество вещества и температуру:
$$pV=\nu RT.$$Утверждение 2 удобно проверить первым, потому что объём нужен и в других пунктах. По условию в начальный момент в сосуде $\nu_0=2$ моль, температура $T=301$ К, а начальное давление мы сняли с графика: $p_0=250$ кПа $=2{,}5\cdot10^{5}$ Па. Выражаем объём:
$$V=\frac{\nu_0RT}{p_0}=\frac{2\cdot8{,}31\cdot301}{2{,}5\cdot10^{5}}\ \text{м}^3=\frac{5003}{2{,}5\cdot10^{5}}\ \text{м}^3\approx0{,}020\ \text{м}^3.$$А $0{,}020$ кубометра — это ровно $20$ литров. Утверждение верно.
Утверждение 4. Масса — это количество вещества, умноженное на молярную массу. У азота $N_2$ молярная масса $M=28$ г/моль:
$$m=\nu_0M=2\ \text{моль}\cdot28\ \frac{\text{г}}{\text{моль}}=56\ \text{г}.$$Утверждение верно.
Утверждение 1. Скорость утечки — это сколько молей уходит за минуту. Объём и температура постоянны, поэтому из $pV=\nu RT$ видно: во сколько раз падает давление, во столько же падает и количество вещества. Переведём падение давления в падение количества вещества:
$$\frac{\Delta\nu}{\Delta t}=\frac{V}{RT}\cdot\frac{\Delta p}{\Delta t}=\frac{0{,}020}{8{,}31\cdot301}\cdot5000\ \frac{\text{моль}}{\text{мин}}.$$Считаем по шагам: в знаменателе $8{,}31\cdot301\approx2501$; в числителе $0{,}020\cdot5000=100$. Значит
$$\frac{\Delta\nu}{\Delta t}\approx\frac{100}{2501}\approx0{,}04\ \frac{\text{моль}}{\text{мин}}.$$Утверждение верно.
Утверждение 3. Концентрация — это число молекул в одном кубическом метре. Её удобно найти из формулы $p=nkT$, где $k=1{,}38\cdot10^{-23}$ Дж/К — постоянная Больцмана:
$$n=\frac{p_0}{kT}=\frac{2{,}5\cdot10^{5}}{1{,}38\cdot10^{-23}\cdot301}\approx\frac{2{,}5\cdot10^{5}}{4{,}15\cdot10^{-21}}\approx6\cdot10^{25}\ \text{м}^{-3}.$$Это десятки септиллионов молекул в кубометре, а вовсе не сотня. Утверждение неверно (да и по смыслу: сто молекул на кубометр — это глубокий вакуум, никакие $250$ кПа при этом невозможны).
Утверждение 5. Средняя кинетическая энергия хаотического движения молекул зависит только от температуры:
$$\overline{E}=\frac{3}{2}kT.$$По условию температура газа всё время поддерживается равной $301$ К, значит в состояниях $1$ и $2$ она одна и та же, и средние энергии молекул одинаковы. Ни о каком «в три раза больше» речи нет. Утверждение неверно.
Проверка себя. Прямая упирается в ноль примерно на $50$-й минуте. За это время должны уйти все $2$ моля: $0{,}04\ \text{моль/мин}\cdot50\ \text{мин}=2$ моль. Сходится — значит скорость утечки найдена правильно.
Верны утверждения под номерами $1$, $2$ и $4$.