高中 | 气体的等容变化 题目答案及解析

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选修3-3

第八章 气体

8.2 气体的等容变化和等压変化

气体的等容变化

气体实验定律是关于气体热学行为的基本实验定律,是建立理想气体概念的实验依据。在工程技术、环境保护、日常生活等多个方面发挥着关键作用。

理想气体忽略了气体分子间的分子力和分子势能,以下气体最接近理想气体的是$(\qquad)$

["

高温低压的气体

","

高温高压的气体

","

低温低压的气体

","

低温高压的气体

"]
[["A"]]

气体规律适用于温度不太低,压强不太大的情况,所以当温度不太低,压强不太大的气体可近似为理想气体,所以最接近理想气体的是高温低压的气体

故选:$\rm A$

某汽车后备箱内安装有撑起箱盖的装置,它主要由汽缸和活塞组成。开箱时,密闭于汽缸内的压缩气体膨胀,将箱盖顶起,如图所示。在此过程中,若缸内气体与外界无热交换,气体为理想气体,则缸内气体$(\qquad)$

["

对外做正功,内能增大

","

对外做正功,分子的平均动能减小

","

对外做负功,分子的平均动能增大

","

对外做负功,内能减小

"]
[["B"]]

缸内气体与外界无热交换,气体为理想气体,则由$\Delta U=W+Q$

其中$Q=0$,开箱时,密闭于汽缸内的压缩气体膨胀,气体对外做正功,所以$W\lt 0$

故气体内能减小,即$\Delta U\lt 0$,所以汽缸内气体的温度降低,分子平均定能减小

故选:$\rm B$

为了探究一定质量的气体等温变化的规律。某同学将注射器水平固定,然后把注射器活塞移动到体积最大的位置,并用橡皮帽封闭注射器右侧的细管,如图。由于没有压强传感器,于是他把活塞和压力传感器相连,可测出移动活塞时,传感器对活塞的压力$F$。在温度不变的条件下缓慢移动传感器和活塞压缩气体并记录多组压力$F$和体积$V$的值,活塞受到的摩擦忽略不计。

$\rm i$.(多选)甲同学想通过作出$P-\dfrac{1}{V}$的图像探究等温变化的规律,还需要测量的物理量有       

$\rm A$.气体的温度      $\rm B$.注射器的内径      $\rm C$.大气压强      $\rm D$.被封闭气体的质量

$\rm ii$.若细管内气体体积可忽略,乙同学根据实验数据作出$F-\dfrac{1}{V}$的图像,则图像应该是图中的                 (选填①、②或③);已知图像的斜率为$k$,图像与纵轴交点的纵坐标的绝对值为$b$,则气体刚被封闭时的体积为                 (用$k$$b$表示)。

[["$BC$","③","$\\dfrac{k}{b}$"]]

设大气压强为$p_{0}$,被封闭气体的横截面积为$S$,对活塞分析有$F=pS-p_{0}S$

所以气体压强为$p=p_{0}+\dfrac{F}{S}$

所以要作出$p-\dfrac{1}{V}$图像需要测量气柱的横截面积和大气压强,横截面积可以通过测量注射器的内径计算得出

故选:$\rm BC$

设气体刚封闭时气体体积为$V_{0}$,此时大气压为$p_{0}$,细管内的气体忽略不计,则$p_{0}V_{0}=\left(p_{0}+\dfrac{F}{S}\right)V$

整理得$F=\dfrac{p_{0}V_{0}S}{V}-p_{0}S$

则斜率$k=p_{0}V_{0}S$,纵截距$b=−p_{0}S$

因此根据实验数据作出$F-\dfrac{1}{V}$的图像,则图像应该是图中的③

根据斜率和纵截距可知$V_{0}=\dfrac{k}{b}$

在高温天气下一辆轿车的胎压监测系统显示某一条轮胎的胎压为$p_{0}=3.20\;\rm atm$、温度为$47^\circ\rm C$。气体视为理想气体,轮胎内部体积始终保持不变。求:

①该轮胎温度为$27^\circ\rm C$时,该轮胎的胎压$p_{1}$

②由于该胎压偏高,故驾驶员快速放出了适量气体,此时监测系统显示的胎压为$2.40 atm$、温度为$27^\circ\rm C$。放出气体的质量与原来轮胎内气体的质量之比为多少?

[["

$3\\;\\rm atm$;②$\\dfrac{1}{5}$

"]]

①轮胎内气体等容变化,则$\dfrac{p_{0}}{T_{0}}= \dfrac{p_{1}}{T_{1}}$

所以$p_{1}=\dfrac{T_{1}}{T_{0}}p_{0}=\dfrac{300}{320} \times 3.2\;\rm \text{atm}=3\;\rm \text{atm}$

②轮胎内温度为$27^\circ C$时的压强为$3\;\rm atm$,等温变化至$2.4\;\rm atm$时,由$p_{1}V_{1}=p_{2}V_{2}$

解得$V_{2}=\dfrac{p_{1}V_{1}}{p_{2}}=1.25\;\rm V_{1}$

放出气体的质量与原来轮胎内气体的质量之比为$\dfrac{V_{2}-V_{1}}{V_{2}}=\dfrac{1.25V_{1}-V_{1}}{1.25V_{1}}=\dfrac{1}{5}$

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