Номер 53, 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 53, страница 12.

Условие.

53. Если на рычажных весах уравновесить с помощью гирек открытый сверху сосуд, наполненный углекислым газом, то через некоторое время равновесие нарушится. Какая из чаш перевесит и почему?

Решение.

Решение

Равновесие весов нарушится из-за разницы в плотности углекислого газа ($CO_2$) и окружающего воздуха. Плотность газа при одинаковых давлении и температуре пропорциональна его молярной массе.

1. Сравнение плотностей. Молярная масса углекислого газа ($CO_2$) равна $M(CO_2) \approx 12 + 2 \cdot 16 = 44 \text{ г/моль}$. Воздух — это смесь газов, преимущественно азота ($N_2$, $M(N_2) \approx 28 \text{ г/моль}$) и кислорода ($O_2$, $M(O_2) \approx 32 \text{ г/моль}$), его средняя молярная масса составляет $M(\text{воздуха}) \approx 29 \text{ г/моль}$. Поскольку молярная масса углекислого газа больше средней молярной массы воздуха ($M(CO_2) > M(\text{воздуха})$), углекислый газ является более плотным и, следовательно, "тяжелым" газом по сравнению с воздухом.

2. Процесс диффузии. В начальный момент весы находятся в равновесии. Однако, так как сосуд открыт, со временем происходит взаимная диффузия газов: более тяжелые молекулы углекислого газа будут постепенно покидать сосуд, смешиваясь с атмосферой, а их место будут занимать более легкие молекулы газов из воздуха. Этот процесс будет происходить до тех пор, пока состав газа в сосуде не станет таким же, как и у окружающего воздуха.

3. Изменение массы. В результате замены более тяжелых молекул $CO_2$ на более легкие молекулы воздуха общая масса газа внутри сосуда будет уменьшаться. Так как масса сосуда и масса гирек на другой чаше весов остаются неизменными, масса чаши с сосудом и газом уменьшится.

4. Нарушение равновесия. Уменьшение массы на одной из чаш весов приведет к нарушению равновесия. Чаша с гирями, масса которой не изменилась, станет тяжелее по сравнению с чашей, на которой стоит сосуд. Таким образом, чаша с гирями опустится вниз.

Ответ: Перевесит чаша с гирями. Это произойдет потому, что углекислый газ, который тяжелее воздуха, из-за диффузии постепенно улетучится из открытого сосуда, а его место займет менее плотный (более легкий) воздух. В результате общая масса на чаше с сосудом уменьшится.