Cylinder with Massive Piston

Consider n moles of an ideal monatomic gas placed in a vertical cylinder. The top of the cylinder is closed by a piston of mass M and cross section A (see Figure 1.1). Initially the piston is fixed, and the gas has volume V₀ and temperature T₀. Next, the piston is released, and after several oscillations comes to a stop. Disregarding friction and the heat capacity of the piston and cylinder, find the temperature and volume of the gas at equilibrium. The system is thermally isolated, and the pressure outside the cylinder is P_a.

Figure 1.1

SOLUTION

When the piston is released, it will move in some, as yet unknown, direction. The gas will obey the ideal gas law at equilibrium, so

(1)

Figure 1.2

On the other hand, at equilibrium, there is no net force acting on the piston (see Figure 1.2), and we have

(2)

Substituting (2) into (1) gives

(3)

We can also use energy conservation in this thermally insulated system. Then the work done to the gas equals its energy change ∆ε. For an ideal gas

(4)

Where C_v is the heat capacity of one mole of the gas (for a monatomic gas, C_v = 3R/2). The work done to the gas

(5)

where x = (V₀- V)/A is the distance the piston moves, where downward is positive. From (4) and (5), we have

(6)

Solving (3) and (6) yields

(7)

We may check that if P₀ = P_a + Mg/A, i.e., that the piston was initially balanced, (7) gives T = T₀ and V = V₀.

اخر الاخبار

اخبار العتبة العباسية المقدسة

المجمَع العلمي يقيم مسابقة الكوثر الخاصة بترتيل القرآن الكريم في كربلاء

قسم الشؤون الفكرية والثقافية يُصدر العدد الثالث والعشرين من مجلّة (أوراق معرفية)

قسم التربية والتعليم يُطلق الموسم التدريبيّ الصيفيّ لملاكات مجموعة العميد التربوية

المجمَع العلمي يُطلق المرحلة الثالثة من مشروع أمير القرّاء الوطني

المزيد

الآخبار الصحية

اختراق علمي.. دواء يؤخر ظهور السكري من النوع الأول لسنوات

هذا ما يحدث لجسمك إن أهملت نظافة فراشك

لماذا تعتبر النساء أكثر عرضة للإصابة بألزهايمر من الرجال؟

لماذا يحذر الخبراء من الإفراط في تناول الفراولة؟

المزيد

الآخبار التكنلوجية

السيارات الكهربائية أنظف بنسبة 73% من سيارات الوقود

سيارة لوسِد الكهربائية تدخل "غينيس" بأطول مدى في العالم

نظرية جديدة تنسف كل ما نعرفه عن تشكل أول قارة في الأرض

منذ 37 ألف عام.. دراسة تكشف "أقدم أمراض" أصابت البشر

المزيد

مواضيع ذات صلة

جسيمات التماثل الفائق الفوتينوات ، سكواركات ..المادة الظل.. الأكسيونات ..إلخ .

ريادةالانسان للفضاء -قدرة الله في خلق الطيور(كيف الهمت الطيور الانسان )

التجريبية المنطقية وميكانيكا الكم: رؤية كاسيرر بين العلم والفلسفة

المفاهيم الفيزيائية بين الدقة العلمية والتأويل الفلسفي

"توحيد العلوم عبر استبعاد الميتافيزيقا

إرنست ماخ: توحيد الفيزياء عبر الإدراكات الحسية واستبعاد الميتافيزيقا

"الفيزياء بين الكلاسيكية والكم: من حتمية الأشياء إلى نسبية القوانين"

قوانين البقاء في الفيزياء The Conservation Laws of Physics

من كاسيرر إلى ميكانيكا الكم: تطور مفهوم السببية في الفيزياء والفلسفة

نظرة فلسفية لميكانيكا الكم: هل يمكن فهم الحياة بمفاهيم الفيزياء؟

الطول والزمن في النسبية: التحدي الفيزيائي للفلسفة التقليدية

نسبية الطول بين الفيزياء والفلسفة: أينشتاين في مواجهة فالين