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- 2021-05-25 发布
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第二章 气体
章末总结
一、气体实验定律的综合应用
1.正确运用定律的关键在于状态参量的确定,特别是在压强的确定上.
2.求解压强的方法:气体实验定律的适用对象是理想气体,而确定气体的初、末状态的压强又常以封闭气体的物体(如液柱、活塞、汽缸等)作为力学研究对象,分析受力情况,根据研究对象所处的不同状态,运用平衡的知识、牛顿第二定律等列式求解.
3.分析变质量问题时,可以通过巧妙地选择合适的研究对象,使这类问题转化为一定质量的气体问题,从而用气体实验定律.
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4.对两部分(或多部分)气体相关联的问题,分别对两部分(或多部分)气体依据特点找出各自遵循的规律及相关联的量,写出相应的方程,最后联立求解.
例1 如图1所示,两个侧壁绝热、顶部和底部都导热的相同汽缸直立放置,汽缸底部和顶部均有细管连通,顶部的细管带有阀门K.两汽缸的容积均为V0,汽缸中各有一个绝热活塞(质量不同,厚度可忽略).开始时K关闭,两活塞下方和右活塞上方充有气体(可视为理想气体),压强分别为p0和;左活塞在汽缸正中间,其上方为真空;右活塞上方气体体积为.现使汽缸底与一恒温热源接触,平衡后左活塞升至汽缸顶部,且与顶部刚好没有挤压;然后打开K,经过一段时间,重新达到平衡.已知外界温度为T0,不计活塞与汽缸壁间的摩擦.求:
图1
(1)恒温热源的温度T;
(2)重新达到平衡后,左汽缸中活塞上方气体的体积Vx.
答案 (1)T0 (2)V0
解析 (1)设左、右活塞的质量分别为M1、M2,左、右活塞的横截面积均为S
由活塞平衡可知:p0S=M1g①
p0S=M2g+得M2g=p0S②
打开阀门后,由于左边活塞上升到顶部,但对顶部无压力,所以下面的气体发生等压变化,而右侧上方气体的温度和压强均不变,所以体积仍保持V0不变,所以当下面接触温度为T的恒温热源稳定后,活塞下方体积增大为(V0+V0),则由等压变化:=
解得T=T0
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(2)如图所示,当把阀门K打开重新达到平衡后,由于右侧上部分气体要充入左侧的上部,且由①②两式知M1g>M2g,打开活塞后,左侧活塞降至某位置,右侧活塞升到顶端,汽缸上部保持温度T0等温变化,汽缸下部保持温度T等温变化.设左侧上方气体压强为p,由pVx=·,设下方气体压强为p2:p+=p2,解得p2=p+p0
所以有p2(2V0-Vx)=p0·
联立上述两个方程有6Vx2-V0Vx-V02=0,解得Vx=V0,另一解Vx=-V0,不符合题意,舍去.
例2 如图2所示,一定质量的理想气体放在体积为V0的容器中,室温为T0=300K,有一光滑导热活塞C(不占体积)将容器分成A、B两室,B室的体积是A室的两倍,A室容器上连接有一U形管(U形管内气体的体积忽略不计),两边水银柱高度差为76cm,右室容器中连接有一阀门K,可与大气相通(外界大气压等于76cmHg),求:
图2
(1)将阀门K打开后,A室的体积变成多少?
(2)打开阀门K后将容器内的气体从300K分别加热到400K和540K,U形管内两边水银面的高度差各为多少?
答案 (1)V0 (2)0 15.2cm
解析 (1)初始时,pA0=p0+ρ水银gh=152cmHg,
VA0=
打开阀门后,A室气体等温变化,pA=76cmHg,体积为VA,由玻意耳定律得
pA0VA0=pAVA
VA==V0
(2)假设打开阀门后,气体从T0=300K升高到T时,活塞C
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恰好到达容器最右端,即气体体积变为V0,压强pA仍为p0,即等压过程.
根据盖吕萨克定律=得
T=T0=450K
因为T1=400K<450K,所以pA1=pA=p0,水银柱的高度差为零.
从T=450K升高到T2=540K为等容过程.根据查理定律=,得pA2=91.2cmHg.
T2=540K时,p0+ρ水银gh′=91.2cmHg,
故水银高度差h′=15.2cm.
例3 如图3甲所示,一导热性能良好、内壁光滑的汽缸水平放置,横截面积为S=2×10-3m2、质量为m=4kg、厚度不计的活塞与汽缸底部之间封闭了一部分理想气体,此时活塞与汽缸底部之间的距离为24cm,在活塞的右侧12cm处有一对与汽缸固定连接的卡环,气体的温度为300K,大气压强p0=1×105Pa.现将汽缸竖直放置,如图乙所示,取g=10m/s2.求:
图3
(1)活塞与汽缸底部之间的距离;
(2)加热到675K时封闭气体的压强.
答案 (1)20cm (2)1.5×105Pa
解析 (1)以汽缸内气体为研究对象,
初状态:p1=p0=1×105Pa
T1=300K,V1=24cm×S
末状态:p2=p0+=1.2×105Pa
T1=T2,V2=HS
由玻意耳定律得p1V1=p2V2
解得H=20cm.
(2)假设活塞能到达卡环处,则
T3=675K,V3=36cm×S
由理想气体状态方程=
得p3=1.5×105Pa>p2=1.2×105Pa
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所以活塞能到达卡环处,封闭气体压强为1.5×105Pa.
二、气体的图像问题
要会识别图像反映的气体状态的变化特点,并且熟练进行图像的转化,理解图像的斜率、截距的物理意义.当图像反映的气体状态变化过程不是单一过程,而是连续发生几种变化时,注意分段分析,要特别关注两阶段衔接点的状态.
例4 (多选)一定质量的理想气体的状态变化过程的p-V图像如图4所示,其中A是初状态,B、C是中间状态,A→B是等温变化,如将上述变化过程改用p-T图像和V-T图像表示,则下列各图像中正确的是( )
图4
答案 BD
解析 在p-V图像中,由A→B,气体经历的是等温变化过程,气体的体积增大,压强减小;由B→C,气体经历的是等容变化过程,根据查理定律=,pC>pB,则TC>TB,气体的压强增大,温度升高;由C→A,气体经历的是等压变化过程,根据盖吕萨克定律=,VC>VA,则TC>TA,气体的体积减小,温度降低.A项中,B→C连线不过原点,不是等容变化过程,A错误;C项中,B→C体积减小,C错误;B、D两项符合全过程.综上所述,正确答案选B、D.
例5 一定质量的理想气体,在状态变化过程中的p-T图像如图5所示.在A状态时的体积为V0,试画出对应的V-T图像和p-V图像.
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图5
答案 见解析图
解析 对气体A→B的过程,根据玻意耳定律,有p0V0=3p0VB,则VB=V0,C→A是等容变化.由此可知A、B、C三点的状态参量分别为:A:p0、T0、V0;B:3p0、T0、V0;C:3p0、3T0、V0.
V-T图像和p-V图像分别如图甲、乙所示.
例6 1mol的理想气体,其状态变化的p-V图像如图6所示,请画出对应的状态变化的p-T图像和V-T图像.
图6
答案 见解析图
解析 1mol的理想气体在标准状态下(1atm,273K)的体积是22.4L,所以状态A的温度是273K.
A到B的过程是等容变化,压强增大1倍,则温度升高1倍,所以B的温度是546K.
B到C的过程是等压变化,体积增大1倍,则温度升高1倍,所以C的温度是1092K.
C到D的过程是等容变化,压强减小,则温度降低一半,所以D的温度是546K.
D到A的过程是等压变化,体积减小,则温度降低一半.
因此,p-T图像和V-T图像分别如图甲、乙所示.
7
例7 如图7甲所示,内壁光滑的导热汽缸竖直浸放在盛有冰水混合物的水槽中,用不计质量的活塞封闭压强为1.0×105Pa、体积为2.0×10-3m3的理想气体,现在活塞上方缓慢倒上沙子,使封闭气体的体积变为原来的一半,然后将汽缸移出水槽,缓慢加热,使气体温度变为127℃.
图7
(1)求汽缸内气体的最终体积;
(2)在图乙上画出整个过程中汽缸内气体的状态变化(外界大气压强为1.0×105Pa).
答案 (1)1.47×10-3m3 (2)见解析图
解析 (1)在活塞上方倒沙的全过程中温度保持不变,
即p0V0=p1V1
解得p1=p0=×1.0×105Pa=2.0×105Pa
在缓慢加热到127℃的过程中压强保持不变,则=
所以V2=V1=×1.0×10-3m3≈1.47×10-3m3.
(2)整个过程中汽缸内气体的状态变化如图所示
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