ID: 00017034
В комнате находится открытая сверху U-образная трубка, в которую налита ртуть (рис. а). Левое колено трубки плотно закрывают пробкой (рис. б), после чего температура в комнате увеличивается. Что произойдёт с уровнями ртути в коленах трубки? Атмосферное давление считать неизменным. Ответ поясните, указав, какие физические явления и закономерности вы использовали для объяснения.
Источник: Сборник Гиголо
В закрытом колене над ртутью оказывается запертая порция воздуха — это маленький «баллон с газом». Его поведение опишем газовыми законами, а равновесие столбов ртути — гидростатикой (давления на одном уровне в сообщающихся сосудах равны).
В момент закрывания пробкой под ней оказывается воздух при атмосферном давлении, и уровни ртути в коленах одинаковы — давления над ртутью с обеих сторон равны $p_{атм}$ (условие равновесия жидкости в сообщающихся сосудах).
Температура в комнате растёт. Открытое колено сообщается с атмосферой, там давление остаётся $p_{атм}$. А запертый в левом колене воздух нагревается. Сначала его давление растёт (при практически неизменном объёме — закон Шарля), и оно становится больше атмосферного. Избыточное давление давит на ртуть сверху.
Повышенное давление воздуха выталкивает ртуть из закрытого (левого) колена — её уровень там понижается. Вытесненная ртуть переходит в открытое (правое) колено, и там уровень повышается. Перетекание прекратится в новом равновесии, когда давление запертого воздуха уравновесится атмосферным давлением плюс давлением образовавшейся разности столбов ртути: $p = p_{атм} + \rho g \cdot 2\Delta h$, где $\Delta h$ — на сколько опустился уровень в закрытом колене.
Уровень ртути в закрытом колене понизится, а в открытом повысится. Причина: запертый над ртутью воздух при нагревании повышает давление (изохорно-изобарный нагрев газа), а оно выталкивает ртуть из закрытого колена в открытое (см. рисунок).