ID: 00016821
С одним молем неона провели процесс, в котором газ из начального состояния с давлением p1 = 105 Па и объёмом V1 = 25 л перешёл в конечное состояние с объёмом V2 = 50 л. Давление при этом изменялось по линейному закону p = po + aV, где p0 — некоторая постоянная величина, a = p1/2V1. На какую величину изменилась при этом среднеквадратичная скорость движения атомов неона?
Источник: ФИПИ
$\nu=1$ моль (неон, $M=20$ г/моль $=0{,}02$ кг/моль); $\;p_1=10^5$ Па; $\;V_1=25$ л $=0{,}025$ м³; $\;V_2=50$ л $=0{,}05$ м³; $\;p=p_0+aV$, $\;a=\dfrac{p_1}{2V_1}$; $\;R=8{,}31$ Дж/(моль·К).
$\Delta\upsilon$ — изменение среднеквадратичной скорости атомов.
Скорость атомов — это их «резвость», и зависит она только от температуры: теплее — быстрее. А температуру в каждой точке прямой $p=p_0+aV$ выдаёт произведение $pV$. Поэтому план простой: найдём давление в начале и в конце, через $pV=\nu RT$ получим две температуры, а из них — две скорости.
Сначала найдём постоянную $p_0$. В начальной точке $p_1=p_0+aV_1$, а $a=\dfrac{p_1}{2V_1}$, поэтому $p_1=p_0+\dfrac{p_1}{2V_1}V_1=p_0+\dfrac{p_1}{2}\;\Rightarrow\;p_0=\dfrac{p_1}{2}.$
Конечное давление при $V_2=2V_1$:
$p_2=p_0+aV_2=\dfrac{p_1}{2}+\dfrac{p_1}{2V_1}\cdot2V_1=\dfrac{p_1}{2}+p_1=\dfrac{3p_1}{2}.$
Среднеквадратичная скорость $\upsilon=\sqrt{\dfrac{3RT}{M}}$, а температуру берём из уравнения состояния $T=\dfrac{pV}{\nu R}$. Подставив, получаем удобную формулу через $pV$:
$\upsilon=\sqrt{\dfrac{3RT}{M}}=\sqrt{\dfrac{3pV}{\nu M}}.$
Начальная и конечная скорости ($\nu=1$, $M=0{,}02$ кг/моль):
$\upsilon_1=\sqrt{\dfrac{3p_1V_1}{M}}=\sqrt{\dfrac{3\cdot10^5\cdot0{,}025}{0{,}02}}\approx612\ \text{м/с},$
$\upsilon_2=\sqrt{\dfrac{3p_2V_2}{M}}=\sqrt{\dfrac{3\cdot1{,}5\cdot10^5\cdot0{,}05}{0{,}02}}\approx1061\ \text{м/с}.$
Изменение скорости:
$\Delta\upsilon=\upsilon_2-\upsilon_1\approx1061-612\approx448\ \text{м/с}.$
Газ расширили и при этом нагрели (произведение $pV$ выросло втрое: давление в $1{,}5$ раза, объём вдвое), поэтому атомы заметно ускорились — почти на $450$ м/с.
$\Delta \upsilon \approx 448$ м/с (скорость возросла).