Два сосуда равного объема заполнены разными газами: один кислородом, другой азотом. Число молекул газов в сосудах одинаково. Сосуды соединяют трубкой. Во сколько раз изменится масса содержимого сосуда, в котором первоначально находился кислород, после завершения процесса диффузии газов? Масса молекулы кислорода в 8/7 раз больше массы молекулы азота. Масса газа в соединительной трубке пренебрежимо мала.
от

1 Ответ

дано:  
Объем сосуда V = V_кислорода = V_азота.  
Число молекул в сосудах N_1 = N_2 (одинаковое).  
Масса молекулы кислорода m_O2, масса молекулы азота m_N2.  
m_O2 = (8/7) * m_N2.

найти:  
Во сколько раз изменится масса содержимого сосуда с кислородом после завершения процесса диффузии.

решение:  
1) Масса газа в сосуде с кислородом (до диффузии):

m_кислорода = N_1 * m_O2.

2) Масса газа в сосуде с азотом:

m_азота = N_2 * m_N2 = N_1 * m_N2 (так как N_1 = N_2).

3) Подставим значение массы молекулы кислорода:

m_кислорода = N_1 * (8/7) * m_N2.

4) После завершения процесса диффузии газы уравновесятся, и общее число молекул останется одинаковым, но теперь в одном сосуде будет смесь газов, а в другом - также смесь.

5) Обозначим x как долю молекул кислорода, которая осталась в первом сосуде после диффузии. Тогда количество молекул кислорода в сосуде:

N_O2_после = x * N_1.

Количество молекул азота в первом сосуде:

N_N2_после = (1-x) * N_1.

6) Теперь найдем массу кислорода после диффузии:

m_кислорода_после = N_O2_после * m_O2 = x * N_1 * (8/7) * m_N2.

7) Найдем массу азота, находящегося в первом сосуде после диффузии:

m_азота_в_первом_сосуде = N_N2_после * m_N2 = (1-x) * N_1 * m_N2.

8) Общая масса в сосуде с кислородом после диффузии:

m_общая_после = m_кислорода_после + m_азота_в_первом_сосуде = x * N_1 * (8/7) * m_N2 + (1-x) * N_1 * m_N2.

9) Перепишем уравнение для удобства:

m_общая_после = N_1 * m_N2 * [x * (8/7) + (1-x)].

10) Для определения изменения массы, сравним массу до и после диффузии:

Изменение массы = m_общая_после / m_кислорода.

11) Подставим найденные значения:

Изменение массы = [N_1 * m_N2 * (x * (8/7) + (1-x))] / [N_1 * (8/7) * m_N2] = (x * (8/7) + (1-x)) / (8/7).

12) Упростим выражение:

Изменение массы = [(8/7)x + 1 - x] / (8/7) = [(8/7)x + (7/7) - (7/7)x] / (8/7) = [1/7 * x + 1] / (8/7).

13) При условии, что процесс диффузии завершен и каждый газ равномерно распределился, x приближается к 1/2:

Изменение массы = [1/7 * (1/2) + 1] / (8/7) = [1/14 + 1] / (8/7) = [15/14] / (8/7) = (15/14) * (7/8) = 105/112.

ответ:  
Масса содержимого сосуда с кислородом изменится в 105/112 раз.
от