高中物理 | 氣體的實驗定律,理想氣體

2021-01-21 高中物理

1、理想氣體的狀態參量:

理想氣體:始終遵循三個實驗定律(玻意耳定律、查理定律、蓋·呂薩克定律)的氣體。

描述一定質量理想氣體在平衡態的狀態參量為:

溫度:氣體分子平均動能的標誌。

體積:氣體分子所佔據的空間。許多情況下等於容器的容積。

壓強:大量氣體分子無規則運動碰撞器壁所產生的。其大小等於單位時間內、器壁單位積上所受氣體分子碰撞的總衝量。

內能:氣體分子無規則運動的動能. 理想氣體的內能僅與溫度有關。

求解下面各種狀態下的壓強大小

(1)pa=p0,

(2)pb=p0+ph,

(3)pc=p0-ph。

強調處理上述問題的思路方法:

(1)等壓面法(取小「液片」平衡),

(2)液柱(活塞)平衡法:pxS=p0S±(mg)。


例1、在一端封閉粗細均勻的豎直放置的U形管內,有密度為ρ的液體封閉著兩段氣柱A、B,大氣壓強為p0,各部分尺寸如所示,求A、B氣體的壓強?

解法1取液柱h1為研究對象. 設管的橫截面積為S,h1受到向下的重力ρgSh1,A氣體向下的壓力pAS,大氣向上的壓力p0S,因為h1靜止,所以

再取液柱h2為研究對象,由帕斯卡定律,h2上端受到A氣體通過液體傳遞過來的向下的壓力pAS,B氣體向上的壓力pBS,液柱自身重力ρgSh2,由於液柱靜止,則

解法2求pB時,由連通器的知識可知,同種液體在同一水平面上的壓強處處相等,取同一水平面CD,則

2、玻-馬定律及其相關計算:

(1)玻-馬定律的內容是:一定質量的某種氣體,在溫度不變時,壓強和體積的乘積是恆量。

(2)表達式: p1V1=p2V2=k

(3)圖像:

討論:上面的p—V圖中,A、B表示一定質量的某種氣體的兩條等溫線,則TATB(填>、=、<=,一定質量的某種氣體的p—V圖像上的等溫線越向右上方,溫度越高,即pV的乘積越大。

氣體性質計算題基本解題思路可概括為四句話:

1、選取研究對象. 它可以是由兩個或幾個物體組成的系統或全部氣體和某一部分氣體。(狀態變化時質量必須一定。)

2、確定狀態參量. 對功熱轉換問題,即找出相互作用前後的狀態量,對氣體即找出狀態變化前後的p、V、T數值或表達式。

3、認識變化過程. 除題設條件已指明外,常需通過研究對象跟周圍環境的相互關係確定。

4、列出相關方程.

 

例2、一根長度為1m,一端封閉的內徑均勻的細直玻璃管,管內用20cm長的水銀柱封住一部分空氣. 當管口向上豎直放置時,被封住的空氣柱長49cm. 問緩慢將玻璃旋轉,當管口向下倒置時,被封住的空氣柱長度是多少?假設p0=76cmHg,氣體溫度不變.

錯解:對例題5大多數學生做出如下解答:

p1=p0+h=76+20=96(cmHg)

V1=49S

p2=p0-h=76-20=56(cmHg)

V2=HS

p1V1=p2V2

所以H=84(cm)

正解:解答到此,有部分同學意識到此時空氣柱加水銀柱的長度H+h=84+20=104(cm)已大於玻璃管的長度1m了,

說明水銀早已經溢出!

所以,管倒置後,

p2=p0-h′

V2=HS,H+h′=L

所以h=18.5(cm),H=81.5(cm)

 

3、等容過程——查理定律

(1)內容:一定質量的氣體,在體積不變的情況下,溫度每升高(或降低) 1℃,增加(或減少)的壓強等於它0℃時壓強的1/273. 一定質量的氣體,在體積不變的情況下,它的壓強和熱力學溫標成正比。

(2)表達式:數學表達式是:

 

4、等壓變化——蓋·呂薩克定律

(1)內容:一定質量的氣體,在壓強不變的情況下,它的體積和熱力學溫標成正比.

(2)


5、氣體狀態方程:

pV/T=恆量

=

說明:(1)一定質量理想氣體的某個狀態,對應於p—V(或p—T、V—T)圖上的一個點,從一個狀態變化到另一個狀態,相當於從圖上一個點過渡到另一個點,可以有許多種不同的方法。如從狀態A變化到B,可以經過許多不同的過程。為推導狀態方程,可結合圖象選用任意兩個等值過程較為方便。

(2)當氣體質量發生變化或互有遷移(混合)時,可採用把變質量問題轉化為定質量問題,利用密度公式、氣態方程分態式等方法求解。

 

例3、一根內徑均勻,一端封閉,另一端開口的直玻璃管,長l=100cm,用一段長h=25cm的水銀柱將一部分空氣封在管內,將其開口朝上豎直放置,被封住的氣柱長l0=62.5cm。這時外部的大氣壓p0=75cmHg,環境溫度t0=-23℃,見下圖,現在使氣柱溫度緩慢地逐漸升高,外界大氣壓保持不變,試分析為保持管內被封氣體具有穩定的氣柱長,溫度能升高的最大值,並求出這個溫度下氣柱的長。

解析:這是一個關於氣體在狀態變化過程中,狀態參量存在極值的問題,首先,對過程進行分析,當管內氣體溫度逐漸升高時,管內氣體體積要逐漸增大,氣體壓強不變,pV值在增大。當上水銀面升到管口時,水銀開始從管內排出,因為=C,當管內水銀開始排出後,空氣柱體積增大,而壓強減小,若pV值增大,則溫度T繼續升高,當pV值最大時溫度最高。如果溫度再升高不再滿足=C,管內氣體將不能保持穩定長度。

選取封閉氣體為研究對象,在溫度升高過程中,可分成兩個過程研究。

第一過程:從氣體開始升溫到水銀升到管口,此時氣體溫度為T,管的橫截面積為S,此過程為等壓過程,根據蓋·呂薩克定律有:

=所以T=T0

其中:T0=t0+273=250K  l′=75cm  l0=62.5cm。

代入數據解得T=300(K)

第二過程,溫度達到300K時,若繼續升溫,水銀開始溢出,設當溫度升高到T′時,因水銀溢出使水銀減短了x,此過程氣體的三個狀態參量p、V、T均發生了變化。p1=p0+h=75+25=100(cmHg)  V1=l′s=7.5S

T1=300K

p2=(p0+h-x)=(100-x)cmHg  V2=(75+x)S

T2=?

根據狀態方程=則有

=

所以T2=(100-x)(75+x)=- x2+x+300

根據數學知識得  當x=12.5m時  T2取得最大值,且最大值T2max=306.25K即當管內氣體溫度升高到T2max=33.25℃時,管內氣柱長為87.5cm。


例4、如圖所示,兩端封閉、粗細均勻的細玻璃管,中間用長為h的水銀柱將其分為兩部分,分別充有空氣,現將玻璃管豎直放置,兩段空氣柱長度分別為L1,L2,已知L1>L2,如同時對它們均勻加熱,使之升高相同的溫度,這時出現的情況是:( )

A. 水銀柱上升

B. 水銀柱下降

C. 水銀柱不動

D. 無法確定

錯解:假設兩段空氣柱的壓強p1,p2保持不變,它們的初溫為T當溫度升高△T時,空氣柱1的體積由V1增至V'1;,增加的體積△V1=V'1-V1,考慮到空氣柱的總長度不變,空氣柱2的體積從V2增至V'2,且△V2=V'-V2,

由蓋·呂薩克定律得:

在T,△T都同的情況下,因為V1>V2,所以△V1>△V2,所以,水銀柱應向下移動。選B。

這道題因為初溫一樣,又升高相同的溫度,所以比較液柱移動,可能有兩種假設,一種為設壓強不變,另一種是設體積不變。而上述解法中假定壓強不變而導出水銀柱下降這本身就是自相矛盾的。水銀柱的移動情況是由水銀柱的受力情況決定的,而受力情況是由兩邊壓強的大小決定的,因此不能假設壓強不變。

正解:假定兩段空氣柱的體積不變,即V1,V2不變,初始溫度為T,當溫度升高△T時,空氣柱1的壓強由p1增至p'1,△p1=p'1-p1,空氣柱2的壓強由p2增至p'2,△p2= p'2-p2。

由查理定律得:

因為p2=p1+h>p1,所以△p1<△p2,即水銀柱應向上移動。所以正確答案應選A。

小結:(1)這類題目只能按等容過程求解。因為水銀柱的移動是由於受力不平衡而引起的,而它的受力改變又是兩段空氣柱壓強增量的不同造成的,所以必須從壓強變化入手。

壓強的變化由壓強基數(即原來氣體的壓強)決定,壓強基數大,升高相同的溫度,壓強增量就大。同理,若兩段空氣柱同時降低相同的溫度,則壓強基數大的,壓強減少量大。就本題而言,水銀柱將向下移動。

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