2 vaten verbonden met een buis en kraan

Sandjana Parmessar stelde deze vraag op 30 januari 2022 om 16:58.

Een vat A (volume 45 dm3) is verbonden met een vat B (volume 15 dm3) door een nauwe buis met kraan. De kraan is gesloten.
In A bevindt zich een gas met een druk van 2,0 bar en een temperatuur van 300 K. In B bevindt zich hetzelfde soort gas, met een druk van 4,0 bar en een temperatuur van 300 K.
a. Bepaal de verhouding van het aantal mol gas in A en het aantal mol gas in B.
De kraan wordt geopend. Hierdoor stroomt er gas van het ene vat naar het andere. De temperatuur verandert hierbij niet. 
b. Stroomt er gas van A naar B of van B naar A? Licht je antwoord toe.
c. Bereken de druk in A en B. (Aanwijzing: wat blijft, behalve volume en temperatuur, nog meer constant?!)
d. Bereken hoeveel gas er door de verbindingsbuis is gestroomd. (De molaire massa van het gas is 44 g/mol.)


Mijn antwoorden:

a.
VA : VB = 45 : 15 = 3 : 1
3+1=4
NA3/4 × N

NB1/4 × N


B.
Kraan geopend.
Gas stroomt van A naar B omdat VA > VB, Vat Al bevat meer gas dan Vat B 

C.
Ik kan verder niet gaan, want ik weet niet hoe en waar ik moet beginnen.

Kunt u mij a.u.b. verder assisteren? Kunt u ook nagaan of ik a. & b. correct heb beantwoord?

Bij voorbaat dank ik u.

Mvg,
S. P.

Reacties

Theo de Klerk op 30 januari 2022 om 17:20
A. Die poging lukt alleen als je aanneemt dat het gas in beide vaten gelijkelijk verspreid (even "dun") is.
Wat je berekent is een volumeverhouding en dat is dan ook de mol gasverhouding.
Maar de druk in beide vaten is niet gelijk. De hogere druk wordt veroorzaakt door een dichter (minder "dun") gas.

B. Raar argument.
In een paleis is een badkamer met lucht en een danszaal met lucht, die 20x groter is dan de badkamer.
Volgens jou gaat er dan lucht van de danszaal naar de badkamer omdat de danszaal groter is?
Stel even dat beide vacuum zouden zijn. Wat zou dan stromen?

C/D: gebruik de ideale gaswet. Maar haal eerst de spinnenwebben uit je gedachten bij antwoord op A en B
Jan van de Velde op 30 januari 2022 om 17:39

even geschetst om de gedachten op een rij te zetten.

groet, Jan
Sandjana Parmessar op 30 januari 2022 om 18:15
Beste meneer Theo de Klerk,

Dan wordt het:

a. Volume verhouding = mol gas verhouding => 3 : 1

b. Er stroomt geen gas van A naar B of van B naar A, want in beide vaten bevindt zich hetzelfde soort gas en ze zijn beide volledig dichtgesloten.

c. Volume = constant; Temperatuur = constant; aantal mol = constant, d.w.z. PA en PB blijven ook constant (2 om 4)

d. Vat A : 3/4 × 44 = 33 g/mol
    Vat B : 1/4 × 44 = 11 g/mol

In mijn opzicht denk ik dat het zo is.
Komt het overeen met u?
Sandjana Parmessar op 30 januari 2022 om 18:18
Beste meneer Jan van de Velde,

Dankuwel.
Jan van de Velde op 30 januari 2022 om 18:29
dag Sandjana,

dit gaat nog helemaal niet goed :( 

a) als je twee even grote vaten hebt, en in vat X is de druk 2 keer zo hoog als in vat Y, dan zitten er in vat X twee keer zoveel gasmoleculen

ook zo hier. Per liter bevat vat B twee keer zoveel gasmoleculen, want de druk is 2 x zo hoog. Er zijn echter 3 x zoveel liters in vat A. Hiermee zou je het redenerend kunnen oplossen.

In een analogie: vat A zijn 45 emmers met elk 2 ballen, vat B zijn 15 emmers met elk 4 ballen: wat is ver verhouding ballenA : ballenB?

we kunnen ook de algemene gaswet toepassen, pV= nRT 
Het gaat maar om verhoudingen, dus we hoeven geen standaardeenheden in te vullen

vat A: 2 x 45 = nART
Vat B: 4 x 15 = nBRT

R is de gasconstante en die is dus voor beide vaten sowieso gelijk, de temperatuur is ook in beide vaten gelijk. 
Wat is dus de verhouding nA : nB ?? (n=aantal mol)

De rest volgt dan wel zodra je dit snapt.

groet, Jan
Sandjana Parmessar op 30 januari 2022 om 21:46
Beste meneer Jan van de Velde,

Dankuwel voor uw uitleg. Nu snap ik het een stukje beter.

In Vat A en Vat B zijn er verschillende druk en volume, waardoor nA en nB daarvan afhankelijk zal zijn. Als ik het goed heb berekend wordt de verhouding nA : nB dan 3 : 2 waaruit dan volgt dat nA3/2 × nB en nB2/3 × nA.

Bij vraag b
Omdat er in Vat B de druk groter is, stroomt er meer gas van Vat B naar Vat A, bij het openen van de kraan.

Bij vraag c
Als ik het goed heb, dan gaan in beide vaten, wanneer de kraan open gedaan wordt, het aantal mol gas gelijk worden, volume blijft hetzelfde, temperatuur is niet veranderd. 
Verder gaat de druk in vat B minder worden en de druk in Vat A meer, omdat ruimte van Vat A groter is dan Vat B.
Hoe groter de ruimte hoe meer druk er nodig zal zijn.

Heb ik het wel goed?
Jan van de Velde op 30 januari 2022 om 21:58
a) correct

b) zeg niet : "meer"
Gassen stromen altijd van hoge naar lage druk, dus ja, van B naar A.

c)

 

Bij vraag c
Als ik het goed heb, dan gaan in beide vaten, wanneer de kraan open gedaan wordt, het aantal mol gas gelijk worden, 

 nee: de druk gaat gelijk worden

Eerst had je (2 x 45) + (4 x 15) = 150 "hoeveelheden" (mol mogen we het niet noemen, want we rekenden niet met standaardeenheden pascal en kubieke meter).
Maar er is geen gas weggelekt. Die 150 "hoeveelheden" vinden we nu dus bij één en dezelfde druk verdeeld over de totale 60 liter. 

of weer de emmer-analogie: je had eerst 45 emmers met twee liter water, en 15 emmers met 4 liter water. Je gaat nu het water verdelen zó dat er in elk van de 60 emmers evenveel water zit. Hoeveel water komt er in elke emmer? 

Groet, Jan

Sandjana Parmessar op 30 januari 2022 om 22:42
Beste meneer Jan van de Velde,

Dankuwel.

Bij vraag c
Kraan is geopend, de druk wordt dan op elke dm3 gelijk, dus op elke volume oppervlakte. De druk wordt over het gehele volume even verdeeld dus.
Vtotaal = VA + VB = 45 + 15 = 60 dm3
Ptotaal = PA + PB = 2 + 4 = 6 bar
De druk wordt gelijk verdeeld, d.w.z. op elke Volume is de druk 6 : 60 = 0,1 bar

Dan dat betekent 
PA nu = 45 × 0,1 = 4,5 bar
PB nu = 15 × 0,1 = 1,5 bar

Is het wel goed gedaan, meneer?
Theo de Klerk op 30 januari 2022 om 22:51
>op elke dm3 gelijk, dus op elke volume oppervlakte

Beetje slecht geformuleerd: druk wordt niet "op" maar "in" elke dm3 gelijk en dus in het hele volume.
Volume is ook geen oppervlak (lengte x breedte), maar een inhoud. (lengte x breedte x hoogte)

En nee, drukken tel je niet zomaar op. Zo'n druk wordt door een aantal moleculen veroorzaakt.
De dichtheid van het gas (aantal moleculen/m3) wordt overal gelijk en daardoor ook de druk. Maar er gaan moleculen van het onder hoge druk staande gas naar het vat met lagere druk (ook al is dat veel groter en zitten er al meer moleculen in).

Zolang ergens een drukverschil blijft bestaan zal gas (of vloeistof) gaan stromen.
Er komt water uit de kraan of tuinslang omdat er een hoge druk op het water staat in de leiding en geen druk (ok, luchtdruk) buiten de kraan of slang.
Als je blaast verplaatst lucht zich omdat je in je mond een hoge druk opbouwt en dan lucht wegblaast naar lagere (buitenlucht)druk.
Er zijn winderige dagen of zelfs stormen omdat lucht zich van gebieden met hoge druk naar lage druk verplaatsen (en die verschillen ontstaan doordat de zon sommige plekken verwarmt en daardoor de luchtdruk afneemt).
Dus... er kunnen nooit 2 drukken zijn in een verbonden vaten waar evenwicht heerst.

Snap je eigenlijk wat druk is? Want daar lijkt me een groot misverstand te bestaan.
Jaap op 30 januari 2022 om 22:58
Dag Sandjana,
Opgave c is nog niet goed, laten we nog eens kijken.
Jan schreef: "je had eerst 45 emmers met twee liter water, en 15 emmers met 4 liter water. Je gaat nu het water verdelen zó dat er in elk van de 60 emmers evenveel water zit. Hoeveel water komt er in elke emmer?"
In stappen:
45 emmers met twee liter water, hoeveel liter water is dat?
15 emmers met 4 liter water, hoeveel liter water is dat?
Hoeveel liter water is dat bij elkaar?
Zoveel liter verdeel je eerlijk over de 60 emmers.
Hoeveel water komt er in elke emmer? Dat is de druk van opgave c.
Het gas stopt met stromen als de druk in A en B even groot is.
Groet, Jaap
Jan van de Velde op 30 januari 2022 om 23:04


PA nu = 45 × 0,1 = 4,5 bar

PB nu = 15 × 0,1 = 1,5 bar
 

 dag Sandjana,

dat kan niet, met als voornaamste reden dat we al besloten hadden dat de druk in beide vaten gelijk zou worden met de open kraan.

Kijken we nog eens naar mijn emmer-analogie:

je had eerst 45 emmers met twee liter water, en 15 emmers met 4 liter water. Je gaat nu het water verdelen zó dat er in elk van de 60 emmers evenveel water zit. Hoeveel water komt er in elke emmer? 

 Dat moet dus in elke emmer iets ergens tussen 2 en 4 liter zijn. 
Dit wordt dus een tastbare vorm van een gewogen gemiddelde. 

We zouden er ook een systeem van communicerende vaten bij kunnen bedenken:


Hoe hoog komt in beide vaten het water te staan nadat je de kraan open draait? 

Sandjana Parmessar op 30 januari 2022 om 23:37
Beste meneer Jan van de Velde,

Ik denk dat ik volgens deze schematische weergave u beter heb begrepen:
De druk in A is hetzelfde als de druk in B, 
Druk => (2 + 4) : 2 = 3 bar, dit geldt voor druk A en Druk B?
Theo de Klerk op 30 januari 2022 om 23:43
Nee, nu laat je weer buiten beschouwing dat in elk vat een ander aantal moleculen zit.
Het is geen kwestie van optellen en delen door twee.
Sandjana Parmessar op 31 januari 2022 om 00:02
Beste meneer Theo de Klerk,
Beste meneer Jaap,
Beste meneer Jan van de Velde,

Is het het volgende?
PA × V= Constant => 2 × 45 = 90
PB × VB = Constant => 4 × 15 = 60
Dit is wanneer de kraan gesloten is.
Bij het openen van de kraan gaat de druk evengelijk zijn.

90 + 60 = 150 "hoeveelheden" (nupas heb ik het door waarom u 150 "hoeveelheden" hebt gebruikt.)

Vtotaal => 45 +15 = 60 dm3
((Verhouding: VA : VB => 45 : 15 => 3 : 1 (opgeteld 4)))
Als het gaat om gelijke drukken in A en B,
De druk gelijk verdeeld: 150 : 60 = 2,5 bar.
Is de druk in A en de druk in B gelijk aan 2,5 bar?
Jaap op 31 januari 2022 om 00:05
Dag Sandjana,
Gefeliciteerd, je hebt de goede uitkomst.
De aanhouder wint, compliment voor je doorzettingsvermogen
(en voor de verschillende benaderingen van Jan om het voorstelbaar te maken).
Groet, Jaap
Sandjana Parmessar op 31 januari 2022 om 00:07
Beste meneer Jaap,

Dankuwel.
Theo de Klerk op 31 januari 2022 om 00:12
>Bij het openen van de kraan gaat de druk evengelijk zijn.
Nee, het wordt niet "even" gelijk, het wordt permanent gelijk. Overal hetzelfde. Maar dat duurt even. Gas moet zich eerst verdelen zodat overal evenveel moleculen in elke cm3 zitten. Dan is de druk gelijk en blijft dat ook.
Sandjana Parmessar op 31 januari 2022 om 00:20
Beste meneer Theo de Klerk,

Oké meneer,
Dank u wel.
Jaap op 31 januari 2022 om 00:24
Dag Sandjana,
We helpen je graag.
Rest nog opgave d… voordat de kraan open ging, had je in vat B
pB × VB = Constant => 4 × 15 = 60 hoeveelheden gas.
Als het gas stopt met stromen nadat de kraan is geopend, blijven dat 60 hoeveelheden.
Maar de druk in B is 2,5 bar geworden.
In de nieuwe toestand is dat pB × VB = Constant => 2,5 × VB = 60
Hoeveel dm³ is de nieuwe VB?
Hoeveel meer is dat dan de oude 15 dm³?
Zoveel dm³ gas is met 2,5 bar door de buis gestroomd.
Met de algemene gaswet pV=nRT kun je n (hoeveel mol gas) berekenen. Gebruik nu wèl de standaardeenheden.
Daarna kun je berekenen hoeveel gram gas dit is, met de molaire massa die bij opgave d staat.
Groet, Jaap
sven op 26 september 2022 om 20:49
Interessant verhaal, als ik het nu goed lees is de nieuwe VB 24 de oude VB was 15 aangezien er moleculen dus gas is weggestroomd is het verschil tussen de nieuwe en oude VB 9 en is er dus 9dm3 gas weggestroomd.  ( alleen 1 vraag waar zit de kraan omdat er ook gas in de leiding blijft zitten??). ( in geval van 2 kranen dan nog)
even de algemene gaswet buiten beschouwing gelaten...

Theo de Klerk op 26 september 2022 om 22:17
In dit geval wordt het verbindingsbuis-volume verwaarloosd (d.w.z. is een zeer klein gedeelte van het totale volume, zodat de berekeningen niet significant afwijken van de echte waarden waar die verbinding wel wordt meegeteld)
(https://www.natuurkunde.nl/vraagbaak/78696/verwaarlozen-of-wegstrepen-of-niet-van-belang-niet-relevant-wanneer)

Plaats een reactie

+ Bijlage

Bevestig dat je geen robot bent door de volgende vraag te beantwoorden.

Ariane heeft twintig appels. Ze eet er eentje op. Hoeveel appels heeft Ariane nu over?

Antwoord: (vul een getal in)