Номер 51, страница 12 - гдз по физике 7 класс сборник вопросов и задач Марон, Марон

Первоначальные сведения о строении вещества. Диффузия в газах, жидкостях и твёрдых телах - номер 51, страница 12.

Условие.

51. Воздушные шарики, наполненные лёгким газом, вскоре тяжелеют и не поднимаются. Почему? В чём причина того, что в холодном помещении подъёмная сила шарика сохраняется дольше?

Решение.

Почему воздушные шарики, наполненные лёгким газом, вскоре тяжелеют и не поднимаются?
Подъёмная сила, или сила Архимеда, действующая на шарик, определяется весом вытесненного им воздуха и рассчитывается по формуле $F_A = \rho_{воздуха} \cdot g \cdot V$, где $\rho_{воздуха}$ — плотность окружающего воздуха, $\text{g}$ — ускорение свободного падения, а $\text{V}$ — объём шарика. Чтобы шарик поднимался, эта сила должна быть больше его собственного веса $P = (m_{газа} + m_{оболочки}) \cdot g$.
Основная причина, по которой шарики со временем опускаются, — это диффузия. Материал оболочки шарика (например, латекс) имеет микроскопические поры. Молекулы лёгкого газа (гелия или водорода), находящиеся внутри, очень маленькие и подвижные, поэтому они постепенно просачиваются через эти поры наружу. В то же время более крупные молекулы газов из атмосферы (азота, кислорода) проникают внутрь. Так как молекулы воздуха тяжелее молекул лёгкого газа, средняя плотность газа внутри шарика со временем увеличивается. Это приводит к увеличению общей массы и веса шарика. Когда вес шарика становится равным или превышает подъёмную силу, он прекращает подъём и опускается.

Ответ: Шарики тяжелеют и перестают подниматься из-за диффузии: лёгкий газ постепенно выходит из шарика через микропоры в его оболочке, а на его место может проникать более тяжелый воздух. Это увеличивает среднюю плотность и общую массу шарика до тех пор, пока его вес не превысит выталкивающую силу Архимеда.

В чём причина того, что в холодном помещении подъёмная сила шарика сохраняется дольше?
Скорость диффузии газов напрямую зависит от температуры, которая является мерой средней кинетической энергии их молекул.
В тёплом помещении молекулы газа обладают большей энергией, движутся быстрее и чаще сталкиваются со стенками шарика. Это ускоряет процесс их просачивания через поры материала, и лёгкий газ покидает шарик быстрее.
В холодном помещении температура ниже, соответственно, и кинетическая энергия молекул меньше. Они движутся медленнее, реже и с меньшей силой ударяются о стенки оболочки. В результате скорость диффузии значительно снижается, и лёгкий газ улетучивается гораздо медленнее.
Таким образом, в холоде шарик дольше сохраняет низкую среднюю плотность газа внутри, и его подъёмная сила дольше остаётся достаточной для преодоления силы тяжести.

Ответ: В холодном помещении молекулы газа движутся медленнее. Из-за этого процесс диффузии (утечки лёгкого газа через поры оболочки) замедляется, и шарик дольше сохраняет свою подъёмную силу.