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- 2021-05-27 发布
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3 气体实验定律
[学习目标] 1.知道什么是气体的状态参量.2.掌握热力学温度的定义,知道什么是温标,理解摄氏温度与热力学温度的区别与联系.3.通过实验探究,知道玻意耳定律、查理定律、盖吕萨克定律的内容和公式.
一、气体的状态参量
1.气体的状态参量
描述气体状态的物理量:一定质量的气体有三个状态参量,分别是:体积、温度和压强.
2.气体的体积和压强
(1)体积:气体占有空间的大小,符号是V,单位:立方米(m3)、升(L)和毫升(mL).
1L=10-3m3,1mL=10-6m3
(2)压强:大量气体分子对器壁撞击的宏观表现.符号是p,国际单位:帕斯卡(Pa).
1Pa=1N/m2,常用单位还有标准大气压(atm)和毫米汞柱(mmHg).
3.温度
(1)概念:表示物体冷热程度的物理量,是分子平均动能的标志.
(2)两种温标:
①摄氏温标:早期的摄氏温标规定,标准大气压下冰的熔点为0_℃,水的沸点为100_℃.用摄氏温标表示温度叫摄氏温度,符号是t.
②热力学温度用T表示,单位是开尔文,简称开(K).
(3)摄氏温度t和热力学温度T间的关系:T=t+273.15.
二、玻意耳定律
1.内容:一定质量的某种气体,在温度保持不变的情况下,压强p与体积V成反比.
2.表达式:pV=常量.
3.适用条件:气体的质量一定,温度不变.
三、查理定律
1.等容变化:一定质量的某种气体,在体积不变时,压强随温度的变化叫做等容变化.
2.内容:一定质量的气体,在体积不变的情况下,压强p与热力学温度T成正比.
3.表达式:=常量.
4.适用条件:气体的质量和体积不变.
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四、盖吕萨克定律
1.等压变化:一定质量的某种气体,在压强不变时,体积随温度的变化叫做等压变化.
2.内容:一定质量的气体,在压强不变的情况下,体积V与热力学温度T成正比.
3.表达式:=常量.
4.适用条件:气体的质量和压强不变.
[即学即用]
1.判断下列说法的正误.
(1)0℃的温度可以用热力学温度粗略地表示为273K.(√)
(2)气体做等容变化时,温度从13℃上升到52℃,则气体的压强升高为原来的4倍.(×)
(3)对于一定质量的气体,在压强不变时,若温度升高,则体积减小.(×)
(4)若体积增大到原来的两倍,则摄氏温度升高到原来的两倍.(×)
2.一定质量的某种气体发生等温变化时,若体积增大了n倍,则压强变为原来的_______倍.
答案
一、气体的状态参量
[导学探究] 在力学中,为了确定物体运动的状态,我们使用了物体的位移和速度这两个物理量.在热学中如果我们要研究一箱气体的状态,需要哪些物理量呢?
答案 体积、温度和压强
[知识深化]
1.摄氏温标
一种常用的表示温度的方法,规定标准大气压下冰的熔点为0°C,水的沸点为100°C.在0°C和100°C之间均匀分成100等份,每份算做1°C.
2.热力学温标
现代科学中常用的表示温度的方法,热力学温标也叫绝对温标.
3.摄氏温度与热力学温度的关系
T=t+273.15,可粗略地表示为T=t+273.
例1 (多选)关于热力学温度与摄氏温度,下列说法正确的是( )
A.摄氏温度和热力学温度都不能取负值
B.温度由t(°C)升到2t(°C)时,对应的热力学温度由T(K)升到2T(K)
C.-33°C=240.15K
D.摄氏温度变化1°C,也就是热力学温度变化1K
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答案 CD
解析 摄氏温度能取负值,A错误;由热力学温度与摄氏温度的关系T=t+273.15知,B错误,C正确;摄氏温度与热力学温度在表示温度的变化时,变化的数值是相同的,故D正确.
二、玻意耳定律
[导学探究]
1.如图1所示为“探究气体等温变化的规律”的实验装置,实验过程中如何保证气体的质量和温度不变?
图1
答案 保证气体质量不变的方法:实验前在柱塞上涂好润滑油,以免漏气.
保证气体温度不变的方法
①改变气体体积时,缓慢进行,等稳定后再读出气体压强,以防止气体体积变化太快,气体的温度发生变化.
②实验过程中,不用手接触注射器的圆筒,防止圆筒从手上吸收热量,引起内部气体温度变化.
2.玻意耳定律成立的条件是什么?
答案 一定质量的气体,且温度不变.
[知识深化]
1.实验探究
(1)实验器材:铁架台、玻璃管(带活塞)、气压计等.
(2)研究对象(系统):玻璃管内被封闭的空气柱.
(3)实验方法:控制气体温度和质量不变,研究气体压强与体积的关系.
(4)数据收集:压强由气压计读出,空气柱长度由刻度尺读出,空气柱长度与横截面积的乘积即为体积.
(5)数据处理:以压强p为纵坐标,以体积的倒数为横坐标,作出p-图像,图像结果:p-图像是一条过原点的直线.
(6)实验结论:压强跟体积的倒数成正比,即压强与体积成反比.
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2.常量的意义
p1V1=p2V2=常量
该常量与气体的种类、质量、温度有关,对一定质量的气体,温度越高,该常量越大.
例2 一定质量的气体,压强为3atm,保持温度不变,当压强减小了2atm时,体积变化了4L,则该气体原来的体积为( )
A.LB.2LC.LD.3L
答案 B
解析 设该气体原来的体积为V1,由玻意耳定律得3V1=(3-2)·(V1+4),解得V1=2L.
利用玻意耳定律解题的基本思路
1.明确研究对象,并判断是否满足玻意耳定律的条件.
2.明确初、末状态及状态参量(p1、V1;p2、V2)
3.根据玻意耳定律列方程求解.
三、查理定律与盖吕萨克定律
[导学探究] (1)根据探究等温变化的实验方法,设计一个实验,在保持体积不变的情况下,探究压强与温度的关系.
(2)设计实验,探究在压强不变时体积与温度的关系.
答案 (1)用上面实验探究里的实验装置.保证气体的体积不变,把玻璃管浸入水中,改变水温,读出不同温度时气体的压强大小,多测几组数据,用这些数据研究压强与温度的关系.
(2)可利用如下装置.
改变水温,测出不同温度时气体的体积,多测几组数据,用这些数据研究体积与温度的关系.
[知识深化]
1.查理定律及推论
表示一定质量的某种气体从初状态(p、T)开始发生等容变化,其压强的变化量Δp与温度的变化量ΔT成正比.
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2.盖吕萨克定律及推论
表示一定质量的某种气体从初状态(V、T)开始发生等压变化,其体积的变化量ΔV与温度的变化量ΔT成正比.
例3 灯泡内充有氮、氩混合气体,如果要使灯泡内的混合气体在500℃时的压强不超过一个大气压,灯泡容积不变,则在20℃的室温下充气,灯泡内气体的压强至多能充到多少?
答案 0.38atm
解析 灯泡内气体初、末状态的参量分别为
气体在500℃,p1=1atm,T1=(273+500)K=773K.
气体在20℃时,T2=(273+20)K=293K.
由查理定律=得
p2=p1=×1atm≈0.38atm.
利用查理定理解题的基本思路
1.明确研究对象并判断是否满足查理定律的条件.
2.明确初、末状态及状态参量(p1、T1;p2、T2).
3.根据查理定律列方程求解.
例4 一定质量的气体在等压变化中体积增大了,若气体原来的温度为27℃,则温度的变化是( )
A.升高了450K B.升高了150℃
C.降低了150℃ D.降低了450℃
答案 B
解析 由盖吕萨克定律可得=,代入数据可知,=,得T2=450K.所以温度升高Δt=150K,即温度升高150℃.
判断出气体的压强不变是运用盖吕萨克定律的关键.
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1.(气体的状态参量)(多选)关于温度与温标,下列说法正确的是( )
A.用摄氏温标和热力学温标表示温度是两种不同的表示方法
B.摄氏温度与热力学温度都可以取负值
C.摄氏温度升高3℃,在热力学温标中温度升高276.15K
D.热力学温度升高3K与摄氏温度升高3℃是等效的
答案 AD
解析 温标是温度数值的表示方法,常用的温标有摄氏温标和热力学温标,A正确;摄氏温度可以取负值,但是热力学温度不能取负值,因为热力学温度的零点是低温的极限,故选项B错;摄氏温度升高3℃,也就是热力学温度升高了3K,故选项C错,D正确.
2.(玻意耳定律)如图2所示,某种自动洗衣机进水时,与洗衣缸相连的细管中会封闭一定质量的空气,通过压力传感器感知管中的空气压力,从而控制进水量.设温度不变,洗衣缸内水位升高,则细管中被封闭的空气( )
图2
A.体积不变,压强变小 B.体积变小,压强变大
C.体积不变,压强变大 D.体积变小,压强变小
答案 B
解析 由题图可知空气被封闭在细管内,水面升高时,气体压强就增大,根据玻意耳定律,气体体积一定减小,B选项正确.
3.(查理定律)一定质量的气体,体积保持不变,下列过程可以实现的是( )
A.温度升高,压强增大 B.温度升高,压强减小
C.温度不变,压强增大 D.温度不变,压强减小
答案 A
解析 由查理定律=常量,得温度和压强只能同时升高或同时降低,故A项正确.
4.(盖吕萨克定律)一定质量的气体,如果保持它的压强不变,降低温度,使它的体积为0℃时的倍,则此时气体的温度为( )
A.℃ B.℃
C.℃ D.273n(n-1) ℃
答案 C
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解析 根据盖吕萨克定律,在压强不变的条件下=,又V1=,整理后得t=℃.
一、选择题
考点一 气体的状态参量
1.关于温标,下列说法正确的是( )
A.温标不同,测量时得到同一系统的温度数值可能是不同的
B.不同温标表示的温度数值不同,则说明温度不同
C.温标的规定都是人为的,没有什么理论依据
D.热力学温标和摄氏温标是两种不同的温度表示方法,表示的温度数值没有关系
答案 A
解析 温标不同,测量同一系统的温度数值一般不同,A对,B错.每一种温标的规定都有一定意义,如摄氏温标的0°C表示标准大气压下冰的熔点,100°C为标准大气压下水的沸点,C错.热力学温标和摄氏温标在数值上有T=t+273.15K,D错.
2.(多选)下列关于热力学温度的说法中正确的是( )
A.-33℃=240K
B.温度变化1℃,也就是温度变化1K
C.摄氏温度与热力学温度都可能取负值
D.温度由t℃升至2t℃,对应的热力学温度升高了t+273K
答案 AB
解析 热力学温度与摄氏温度的关系为T=t+273K,由此可知:-33℃=240K,故A、B选项正确;D中初态热力学温度为t+273K,末态为2t+273K,温度升高了tK,故D选项错误;因绝对零度达不到,故热力学温度不可能取负值,故C选项错误.
考点二 玻意耳定律的应用
3.一个气泡由湖面下20m深处缓慢上升到湖面下10m深处,它的体积约变为原来体积的( )
A.3倍B.2倍C.1.5倍D.0.7倍
答案 C
解析 气泡缓慢上升过程中,温度不变,气体发生等温变化,湖面下20m处,水的压强约为2个标准大气压(1个标准大气压相当于10m水产生的压强),故p1=3atm,p2=2atm,由p1V1=p2V2,得:===1.5,故C项正确.
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4.大气压强p0=1.0×105Pa.某容器的容积为20L,装有压强为20×105Pa的气体,如果保持气体温度不变,把容器的开关打开,待气体达到新的平衡时,容器内剩下的气体质量与原来气体的质量之比为( )
A.1∶19 B.1∶20
C.2∶39 D.1∶18
答案 B
解析 由p1V1=p2V2,得p1V0=p0(V0+V),因V0=20L,则V=380L,即容器中剩余20L压强为p0的气体,而同样大气压下气体的总体积为400L,所以剩下气体的质量与原来质量之比等于同压下气体的体积之比,即=,B项正确.
考点三 查理定律的应用
5.一定质量的气体,在体积不变的条件下,温度由0℃升高到10℃时,其压强的增量为Δp1,当它由100℃升高到110℃时,所增压强为Δp2,则Δp1与Δp2之比是( )
A.10∶1 B.373∶273
C.1∶1 D.383∶283
答案 C
解析 由查理定律得Δp=ΔT.一定质量的气体在体积不变的条件下=常量,温度由0℃升高到10℃和由100℃升高到110℃,ΔT=10K相同,故压强的增量Δp1=Δp2,C项正确.
6.民间常用“拔火罐”来治疗某些疾病,方法是将点燃的纸片放入一个小罐内,当纸片燃烧完时,迅速将火罐开口端紧压在皮肤上,火罐就会紧紧地“吸”在皮肤上.其原因是,当火罐内的气体( )
A.温度不变时,体积减小,压强增大
B.体积不变时,温度降低,压强减小
C.压强不变时,温度降低,体积减小
D.质量不变时,压强增大,体积减小
答案 B
解析 纸片燃烧时,罐内气体的温度升高,将罐压在皮肤上后,封闭气体的体积不再改变,温度降低时,由p∝T知封闭气体压强减小,罐紧紧“吸”在皮肤上,B选项正确.
7.对于一定质量的气体,以下说法正确的是( )
A.气体做等容变化时,气体的压强和摄氏温度成正比
B.气体做等容变化时,温度升高1℃,增大的压强是原来压强的
C.气体做等容变化时,气体压强的变化量与温度的变化量成正比
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D.由查理定律可知,等容变化中,气体温度从t1升高到t2时,气体压强由p1增加到p2,且p2=p1(1+)
答案 C
解析 一定质量的气体做等容变化时,气体的压强跟热力学温度成正比,跟摄氏温度不是正比关系,A错误;由查理定律得=,故气体做等容变化时,温度升高1℃,增大的压强是原来压强的(T为气体原来的热力学温度),B错误;因为===常量,可知气体压强的变化量总是跟温度的变化量成正比,无论是摄氏温度,还是热力学温度,C正确;p2=p1(1+),D错误.
考点四 盖吕萨克定律的应用
8.一定质量的气体保持其压强不变,若热力学温度降为原来的一半,则气体的体积变为原来的( )
A.四倍 B.二倍
C.一半 D.四分之一
答案 C
9.房间里气温升高3℃时,房间内的空气将有1%逸出到房间外,由此可计算出房间内原来的温度是( )
A.-7℃ B.7℃
C.17℃ D.27℃
答案 D
解析 以升温前房间里的气体为研究对象,由盖吕萨克定律:=,解得:T=300K,t=27℃.所以答案选D.
10.一定质量的气体,在压强不变的情况下,温度由5℃升到10℃,体积的增量为ΔV1;温度由10℃升到15℃,体积的增量为ΔV2,则( )
A.ΔV1=ΔV2 B.ΔV1>ΔV2
C.ΔV1<ΔV2 D.无法确定
答案 A
解析 解法一:当p不变时,由盖吕萨克定律=常量,知==,ΔV1=V2-V1=V1,ΔV2=V3-V2=V2=·V1=V1,故A正确.
解法二:当p不变时,由=常量,ΔT1=ΔT2=5K,则ΔV1=ΔV2.
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二、非选择题
11.(玻意耳定律的应用)如图1所示,喷雾器内有10L水,上部封闭有1atm的空气2L.关闭喷雾阀门,用打气筒向喷雾器内再充入1atm的空气3L(设外界环境温度一定,空气可看作理想气体).当水面上方空气温度与外界温度相等时,求空气压强.
图1
答案 2.5atm
解析 设空气初态压强为p1,体积为V1;末态压强为p2,体积为V2,由玻意耳定律p1V1=p2V2
将p1=1atm,V1=2L+3L=5L,V2=2L
代入上式得,p2=2.5atm.
12.(查理定律的应用)用易拉罐盛装碳酸饮料非常卫生和方便,但如果剧烈碰撞或严重受热会导致爆炸.我们通常用的可乐易拉罐容积V=355mL.假设在室温(17℃)罐内装有0.9V的饮料,剩余空间充满CO2气体,气体压强为1atm.若易拉罐承受的压强为1.2atm,则保存温度不能超过多少摄氏度?
答案 75℃
解析 取CO2气体为研究对象,则:
初状态:p1=1atm,T1=(273+17) K=290K.
末状态:p2=1.2atm,T2=未知量.
气体发生等容变化,由查理定律=得:
T2=T1=K=348K,
t=(348-273) ℃=75℃.
13.(气体实验定律的综合应用)有一块防水仪表,密封性能良好,表内外压强差超过6.0×104Pa时表盘玻璃将爆裂.某运动员携带此表攀登珠峰,山下温度为27℃,表内气压为1.0×105Pa,表内气体的摩尔体积为V.登上珠峰时,表盘玻璃发生爆裂,此时山上气温为-23℃,表内气体体积的变化可忽略不计.分析说明表盘玻璃是向外还是向内爆裂,并求山顶大气压强是多少?(结果保留两位有效数字)
答案 见解析
解析 以表内气体为研究对象,初状态为
p1=1.0×105Pa,T1=300K
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末状态为p2,T2=(273-23) K=250K
根据查理定律得=
解得:p2=T2=Pa≈8.3×104Pa
若表盘向内爆裂,则山上气压为
p=p2+Δp=1.43×105Pa
因为山上气压小于山脚下气压,故向内爆裂是不可能的,所以表盘是向外爆裂.由p2-p=Δp,得p=2.3×104Pa.即山上大气压为2.3×104Pa.
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