| 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

如图$1$所示,上端开口的导热汽缸放置在水平面上,质量为$m$、横截面积为$s$的活塞密封了一定质量的理想气体。当环境温度为$T_{1}$时,活塞静止的位置与汽缸底部距离为$h$,离缸口的距离为$0.5h$。已知重力加速度为$g$,活塞厚度及活塞与汽缸壁之间的摩擦不计,大气压强为$\dfrac{7mg}{s}$

若缓慢升高环境温度,使活塞刚好上移到汽缸口,求此时的环境温度$T_{2}$

[["

$1.5T_{1}$

"]]

气体发生等压变化,升高后的温度为$T_{2}$,做等压变化$\dfrac{sh}{T_{1}}=\dfrac{s \cdot (h+0.5h)}{T_{2}}$

解得$T_{2}=1.5T_{1}$

若先在缸内壁紧贴活塞上表面固定一小卡环(与活塞接触但没有作用力),如图$2$所示,再缓慢升高环境温度到$T_{2}$,求升温后卡环对活塞的压力大小;

[["

$4mg$

"]]

开始时,缸内气体压强$p_{1}=\dfrac{mg}{s}+\dfrac{7mg}{s}=\dfrac{8mg}{s}$

做等容变化$\dfrac{p_{1}}{T_{1}}=\dfrac{p_{2}}{T_{2}}$

解得$p_{2}=\dfrac{12mg}{s}$

设卡环对活塞的压力大小为$F$,则$F+mg+\dfrac{7mg}{s} \cdot s=p_{2} \cdot s$

解得

$F=4mg$

上问中的升温过程相对于($1$)问中的升温过程,气体少吸收的热量为多少?

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$4mgh$

"]]

两个过程中气体内能增量相同,据热力学第一定律在($1$)问中有$Q_{1}-p_{1}s ⋅ (0.5h)=\Delta U$

在($2$)问中有$Q_{2}=\Delta U$

则($1$)问中比($2$)问中多吸收热量$\Delta Q=Q_{1}-Q_{2}=4mgh$

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