JavaScript is required

Câu hỏi:

Bóng thám không như hình bên là một thiết bị được sử dụng phổ biến trong ngành khí tượng để thu thập dữ liệu về các thông số thời tiết như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất và hướng gió ở độ cao khác nhau của bầu khí quyển. Trên quả bóng có gắn thiết bị gọi là Radiosonde có chức năng ghi nhận các dữ liệu thông qua các cảm biến và phát tín hiệu radio để truyền dữ liệu trở lại mặt đất để các nhà khoa học và nhà khí tượng có thể thu thập và phân tích. Bóng thám không thường được làm từ cao su hoặc các vật liệu nhẹ có khả năng chịu biến dạng. Bóng được bơm khí nhẹ như hydrogen hoặc helium.

Giả sử một quả bóng thám không kín có thể tích ban đầu là \(20\;{{\rm{m}}^3}\) chứa hydrogen và có tổng khối lượng (bóng và thiết bị đo) là \({{\rm{m}}_{\rm{b}}} = 6\;{\rm{kg}}\). Biết rằng khi thể tích quả bóng tăng gấp 27 lần thể tích ban đầu thì quả bóng bị nổ; áp suất khí quyển \({{\rm{p}}_{\rm{k}}}\) giảm theo độ cao h với quy luật \({{\rm{p}}_{\rm{k}}} = {{\rm{p}}_0} \cdot {{\rm{e}}^{ - \frac{{{{\rm{M}}_{\rm{k}}} \cdot {\rm{gh}}}}{{{\rm{RT}}}}}}\); nhiệt độ ở độ cao mà bóng bị nổ là 218 K . Áp suất khí quyển ở mặt đất là \({{\rm{p}}_0} = {10^5}\;{\rm{Pa}}\); khối lượng mol của phân tử không khí là \({{\rm{M}}_{\rm{k}}} = 29\;{\rm{g}}/{\rm{mol}}\); gia tốc trọng trường là \({\rm{g}} = 9,8\;{\rm{m}}/{{\rm{s}}^2}\). Bỏ qua áp suất phụ do vật liệu làm vỏ bóng gây ra. Độ cao (so với mặt đất) là bao nhiêu kilometer (km) thì quả bóng bị nổ (làm tròn kết quả đến chữ số hàng phần mười)?

Trả lời:

Đáp án đúng:


Ta có:
  • Thể tích ban đầu của bóng: $V_1 = 20 m^3$
  • Thể tích khi bóng nổ: $V_2 = 27V_1 = 27 \cdot 20 = 540 m^3$
  • Khối lượng tổng cộng của bóng: $m_b = 6 kg$
Khi bóng đạt đến độ cao mà nó nổ, lực đẩy Archimedes bằng trọng lượng của bóng: $F_A = P \Leftrightarrow \rho_{kk} \cdot g \cdot V_2 = m_b \cdot g + \rho_{H_2} \cdot V_1 \cdot g$\n Trong đó:
  • $\rho_{kk}$ là khối lượng riêng của không khí ở độ cao h khi bóng nổ.
  • $\rho_{H_2}$ là khối lượng riêng của hydro ở áp suất $p_0$ và nhiệt độ $T = 218K$.
Ta có: $\rho_{H_2} = \frac{p_0 \cdot M_{H_2}}{R \cdot T} = \frac{10^5 \cdot 2 \cdot 10^{-3}}{8.314 \cdot 218} \approx 0.11 kg/m^3$ Suy ra: $\rho_{kk} = \frac{m_b + \rho_{H_2}V_1}{V_2} = \frac{6 + 0.11 \cdot 20}{540} \approx 0.015 kg/m^3$ Khối lượng riêng của không khí cũng được tính theo công thức: $\rho_{kk} = \frac{p_k \cdot M_k}{R \cdot T}$ Trong đó: $p_k$ là áp suất khí quyển ở độ cao h. $\Rightarrow p_k = \frac{\rho_{kk} \cdot R \cdot T}{M_k} = \frac{0.015 \cdot 8.314 \cdot 218}{29 \cdot 10^{-3}} \approx 9290 Pa$ Lại có: $p_k = p_0 \cdot e^{-\frac{M_k \cdot gh}{RT}} \Rightarrow \frac{p_k}{p_0} = e^{-\frac{M_k \cdot gh}{RT}}$ $\Rightarrow ln(\frac{p_k}{p_0}) = -\frac{M_k \cdot gh}{RT} \Rightarrow h = -\frac{RT}{M_k \cdot g} ln(\frac{p_k}{p_0})$ $h = -\frac{8.314 \cdot 218}{29 \cdot 10^{-3} \cdot 9.8} ln(\frac{9290}{10^5}) \approx 22100 m = 22.1 km$

Câu hỏi này thuộc đề thi trắc nghiệm dưới đây, bấm vào Bắt đầu thi để làm toàn bài

Câu hỏi liên quan