Определить среднюю квадратичную скорость молекул воздуха, если известно, что их концентрация на высоте 5.60 км в 2 раза меньше, чем у поверхности Земли.
от

1 Ответ

Дано:

h = 5,60 км = 5600 м - высота, на которой концентрация молекул воздуха в 2 раза меньше
n(h) = n(0) / 2 - концентрация молекул воздуха на высоте h в 2 раза меньше, чем у поверхности Земли

Найти:
v - средняя квадратичная скорость молекул воздуха

Решение:

Используем барометрическую формулу:

p(h) = p(0) * exp(-Mgh / (RT)), где:

p(h) - давление воздуха на высоте h
p(0) - давление воздуха у поверхности Земли
M - молярная масса воздуха (приблизительно 0,029 кг/моль)
g - ускорение свободного падения (9,8 м/с²)
R - универсальная газовая постоянная (8,31 Дж/(моль*К))
T - температура воздуха (в данном случае не задана, поэтому будем считать ее постоянной)
Используем закон Авогадро:

n = N / V, где:

n - концентрация молекул
N - число молекул
V - объем
Поскольку концентрация молекул в 2 раза меньше на высоте h, то и давление воздуха в 2 раза меньше:

p(h) = p(0) / 2

Подставим p(h) и p(0) в барометрическую формулу:

p(0) / 2 = p(0) * exp(-Mgh / (RT))

Упростим уравнение:

1 / 2 = exp(-Mgh / (RT))

Возьмем натуральный логарифм от обеих частей уравнения:

ln(1/2) = -Mgh / (RT)

Выразим температуру (T):

T = -Mgh / (R * ln(1/2))

Используем формулу для средней квадратичной скорости молекул:

v = √(3RT / M)

Подставим значение T из пункта 7 в формулу для v:

v = √(3R * (-Mgh / (R * ln(1/2))) / M) = √(3gh / ln(2))

Подставим известные значения и получим среднюю квадратичную скорость молекул:

v = √(3 * 9,8 м/с² * 5600 м / ln(2)) ≈ 520 м/с

Ответ: Средняя квадратичная скорость молекул воздуха на высоте 5,60 км равна приблизительно 520 м/с.
от