МКТ — Задание 24 ЕГЭ по физике №00016944
МКТ
№2. Задание 24
ID: 00016944
Воздух в воздушном шаре, оболочка которого имеет массу $M=400$ кг и объём $V=2500$ м³, нагревают горелкой через отверстие снизу при нормальном атмосферном давлении. Окружающий воздух имеет температуру $t_0=17\,^\circ\text{C}$. При какой минимальной разности температур $\Delta t$ (между воздухом внутри и снаружи) шар сможет поднять груз массой $m=200$ кг? Оболочка шара нерастяжима.

Источник: ФИПИ
Решение
Дано:
$M=400$ кг; $V=2500$ м³; $t_0=17\,^\circ\text{C}=290$ К; $m=200$ кг; нормальное атмосферное давление $p_0\approx10^5$ Па; $g=10$ м/с². Оболочка нерастяжима, снизу отверстие.
Найти:
$\Delta t=t-t_0$ — минимальную разность температур, при которой шар поднимет груз.
Решение:
Шар всплывает, как пузырёк воздуха в воде: наружный холодный воздух выталкивает его силой Архимеда. Чтобы взлететь с грузом, надо сделать содержимое лёгким — нагреть воздух внутри, ведь горячий воздух реже. Отверстие снизу держит давление внутри равным наружному $p_0$, а нерастяжимая оболочка держит объём $V$ постоянным.
Наружный воздух при $t_0=17\,^\circ\text{C}$ и нормальном давлении имеет плотность $\rho_0=\dfrac{p_0 M_{\text{возд}}}{R T_0}\approx1{,}2$ кг/м³ (молярная масса воздуха $M_{\text{возд}}=0{,}029$ кг/моль). Внутренний горячий воздух при том же давлении: $\rho=\dfrac{p_0 M_{\text{возд}}}{R T}$, поэтому $\rho=\rho_0\dfrac{T_0}{T}$.
Шар поднимает груз, когда сила Архимеда (вес вытесненного наружного воздуха) уравновешивает вес оболочки, вес горячего воздуха внутри и вес груза:
$\rho_0 V g = M g + \rho V g + m g \;\Rightarrow\; \rho_0 V = M + \rho V + m.$
Отсюда нужная плотность внутри:
$\rho=\rho_0-\dfrac{M+m}{V}=1{,}2-\dfrac{400+200}{2500}=1{,}2-0{,}24=0{,}96\ \text{кг/м}^3.$
Теперь найдём температуру внутри из $\rho=\rho_0\dfrac{T_0}{T}$:
$T=\dfrac{\rho_0 T_0}{\rho}=\dfrac{1{,}2\cdot290}{0{,}96}\approx362\ \text{К}\approx89\,^\circ\text{C}.$
Минимальная разность температур:
$\Delta t=T-T_0=362-290\approx72\ \text{К}.$
Удобно сразу получить формулу: $\Delta t=T-T_0=T_0\left(\dfrac{\rho_0}{\rho}-1\right)=T_0\cdot\dfrac{M+m}{\rho_0 V-(M+m)}=290\cdot\dfrac{600}{3000-600}=290\cdot0{,}25=72{,}5\approx72$ К. Чтобы поднять $200$ кг, воздух внутри надо нагреть примерно на $72$ градуса выше уличного.
Ответ
$\Delta t\approx 72$ К (минимальная разность температур; внутри $t\approx89\,^\circ\text{C}$).
Другие задания по теме «МКТ» (8)
- Задание 24 №00043180 — Сосуд объёмом 8 л содержит смесь водорода и гелия общей массой 2 г при давлении…
- Задание 24 №00043179 — Сосуд объёмом 12 л содержит смесь водорода и гелия общей массой 2 г при…
- Задание 24 №00026545 — В вольфрамовом цилиндре под поршнем водород при атмосферном давлении и…
- Задание 24 №00026542 — Сосуд с воздухом, отделённым от атмосферы поршнем, поместили в кастрюлю с водой…
- Задание 24 №00026540 — Закрытый вертикальный цилиндрический сосуд, заполненный идеальным газом,…
- Задание 24 №00026534 — В открытой пробирке, вращающейся в горизонтальной плоскости с угловой скоростью…
- Задание 24 №00026529 — В цилиндр объёмом 0,5 м³ закачивается воздух со скоростью 0,002 кг/с. В верхнем…
- Задание 24 №00022539 — В горизонтальной трубке, запаянной с одного конца, помещена ртуть. Столбик…