تاريخ الفيزياء
علماء الفيزياء
الفيزياء الكلاسيكية
الميكانيك
الديناميكا الحرارية
الكهربائية والمغناطيسية
الكهربائية
المغناطيسية
الكهرومغناطيسية
علم البصريات
تاريخ علم البصريات
الضوء
مواضيع عامة في علم البصريات
الصوت
الفيزياء الحديثة
النظرية النسبية
النظرية النسبية الخاصة
النظرية النسبية العامة
مواضيع عامة في النظرية النسبية
ميكانيكا الكم
الفيزياء الذرية
الفيزياء الجزيئية
الفيزياء النووية
مواضيع عامة في الفيزياء النووية
النشاط الاشعاعي
فيزياء الحالة الصلبة
الموصلات
أشباه الموصلات
العوازل
مواضيع عامة في الفيزياء الصلبة
فيزياء الجوامد
الليزر
أنواع الليزر
بعض تطبيقات الليزر
مواضيع عامة في الليزر
علم الفلك
تاريخ وعلماء علم الفلك
الثقوب السوداء
المجموعة الشمسية
الشمس
كوكب عطارد
كوكب الزهرة
كوكب الأرض
كوكب المريخ
كوكب المشتري
كوكب زحل
كوكب أورانوس
كوكب نبتون
كوكب بلوتو
القمر
كواكب ومواضيع اخرى
مواضيع عامة في علم الفلك
النجوم
البلازما
الألكترونيات
خواص المادة
الطاقة البديلة
الطاقة الشمسية
مواضيع عامة في الطاقة البديلة
المد والجزر
فيزياء الجسيمات
الفيزياء والعلوم الأخرى
الفيزياء الكيميائية
الفيزياء الرياضية
الفيزياء الحيوية
الفيزياء العامة
مواضيع عامة في الفيزياء
تجارب فيزيائية
مصطلحات وتعاريف فيزيائية
وحدات القياس الفيزيائية
طرائف الفيزياء
مواضيع اخرى
Leaky Balloon
المؤلف:
Sidney B. Cahn, Gerald D. Mahan And Boris E. Nadgorny
المصدر:
A GUIDE TO PHYSICS PROBLEMS
الجزء والصفحة:
part 2 , p 28
30-8-2016
1370
Leaky Balloon
Sometimes helium gas in a low-temperature physics lab is kept temporarily in a large rubber bag at essentially atmospheric pressure. A physicist left a 40-L bag filled with He floating near the ceiling before leaving on vacation. When she returned, all the helium was gone (diffused through the walls of the bag). Find the entropy change of the gas. Assume that the atmospheric helium concentration is approximately 5 ×10-4%. What is the minimum work needed to collect the helium back into the bag?
SOLUTION
Let us consider the bag as part of a very large system (the atmosphere) which initially has N molecules of air, which we consider as one gas, and molecules N1 of helium. The bag has volume V0, and the number of helium molecules is N0. Omitting all the temperature-dependent terms, we may write for the initial entropy of the system
(1)
When the helium has diffused out, we have
(2)
We wish to find in the limit where V >> V0. Then
(3)
We then obtain
(4)
where n0/n1 ~ 1/(5 × 10-6) is the concentration ratio of helium molecules in the bag to their concentration in the air. In regular units
(5)
Substituting the standard pressure and temperature into (5) gives
(6)
The minimum work necessary to separate the helium at constant temperature is
(7)
∆S1 = -∆S, since after we separate the helium molecules from the rest of the air, the total entropy of that system would decrease. So