Задача 3
Ученые будущего предложили фантастический проект, в ходе которого весь грунт на поверхности Марса электрохимическим способом был бы разложен на свободные металл и кислород, и таким образом была бы создана кислородная атмосфера на планете. Какова толщина слоя грунта, который нужно переработать, чтобы давление такой кислородной атмосферы у поверхности Марса оказалось таким же, как атмосферное давление у поверхности Земли? Считать, что грунт Марса состоит из минерала лимонита с химической формулой и плотностью . Атомные веса железа и кислорода составляют 56 и 16 соответственно.
Решение
Показать решение
Атмосферное давление у поверхности Земли p составляет Па и равно весу столба атмосферы площадью . Все то же самое будет относиться и к Марсу, но нельзя забывать, что ускорение свободного падения g на Марсе другое. Масса этого столба с площадью основания составит:
Здесь M и R — масса и радиус Марса. Данное выражение можно получить другим, более сложным способом. Концентрация атомов в атмосфере у поверхности Марса равна
Здесь k — постоянная Больцмана, T — температура атмосферы. Число атомов в столбе атмосферы единичной площади есть произведение концентрации на высоту однородного столба атмосферы H:
Здесь — постоянная Авогадро, и m — молярная и молекулярная масса газа. Учитывая, что , мы вновь приходим к первой формуле решения задачи.
Масса столба оказывается равной кг/м2. Обратим внимание, что высота атмосферы и толщина грунта существенно меньше радиуса планеты, ускорение свободного падения мы считаем постоянным. Массовая доля кислорода в молекуле равна
Здесь и — атомные веса кислорода и железа. Чтобы наполнить столб атмосферы требуемым количеством кислорода, нужно переработать столб грунта Марса той же площади (так как обработке подвергается вся планета) глубиной h. Масса этого столба будет равна
Масса столба получается равной кг/м2. Теперь мы можем найти его глубину
Здесь – плотность грунта, которую нужно перевести в нужные единицы (при выполнении решения в системе СИ – в кг/м3).
3. Система оценивания. Существует несколько подходов к решению данного задания. Участники олимпиады могут вычислять требуемую массу кислорода как в расчете на единицу площади (1 м² или 1 см² в зависимости от используемой системы единиц), так и в расчете на всю поверхность Марса. Правильное определение массы атмосферы на единицу площади в виде формулы или числа оценивается в 3 балла. Эффективным и самым простым методом выполнения этого этапа является представление давления как веса столба атмосферы единичной площади. Участники могут проводить выкладки через величину однородного столба атмосферы и даже пытаться вычислить температуру Марса. Это излишние шаги, но при условии правильности вычислений они оцениваются в полной мере.
Вычисление массы грунта на единичную площадь (или площадь поверхности Марса) оценивается в 2 балла. Если при этом участник олимпиады не учитывает или неправильно учитывает количество атомов кислорода и железа в молекуле , данные 2 балла не ставятся, но другие этапы решения оцениваются в полной мере. Наконец, определение глубины переработки грунта оценивается в 3 балла.