物理高考易錯點:理想氣體狀態方程中的液體壓強用的是高度

2020-11-22 超超July

今天看到一同學問:為什麼計算液體壓強要用x乘以sinθ?因為液體壓強P=ρgh中的h是指豎直高度。我們就來細細講高中用到液體壓強的專題:氣體。

液體壓強中的高度

在初中階段,我們就學過,託裡拆利實驗測出了大氣壓強,等於76cm水銀柱產生的壓強。在高中階段,我們有時為了解答方便,而且題目中也這樣用,就可以用水銀柱高度來表示壓強,這個時候單位寫作cmHg

在求解一些帶有「至少」等字眼的問題時,要多考慮求極值:即這個條件都滿足了,那就其他條件也滿足。比如常用到基本不等式、重要不等式等,後附上備用。

我們一起來看一個典例:

題目

一長L=200cm,內壁光滑、導熱性能良好、粗細均勻的玻璃管,與水平方向的夾角θ=30°固定放置,開口向上,厚度不計的輕質活塞置於管口位置,封閉著一定量的空氣(可視為理想氣體),已知大氣壓強為P=76cmHg,環境溫度為17℃,熱力學溫度與攝氏溫度的關係為;T=t+273K。現在在活塞的頂部緩慢地倒入水銀(不考慮傾斜對水銀面的影響):

(1)求最多可倒進的水銀柱長度為多大?(2)在滿足第(1)問的情況下,將試管轉至豎直,為使倒進的水銀能完全溢出,至少需將玻璃管加熱到多少攝氏度?(3)在滿足第(1)問的情況下,將溫度升為20℃並保持,問氣體吸熱還是放熱?分析:

對於第(1)問,試管中的氣體、外界氣體、水銀時刻保持同一溫度—環境溫度,則可用玻意耳定律,即理想氣體的等溫變化方程求解:

第一問,注意h是高度,不是長度

對於第(2)問,為使倒進的水銀全部溢出,且試管轉至豎直,求至少需要將玻璃管加熱的攝氏度,則考慮試管中理想氣體的壓強、體積、溫度均發生變化,需要用理想氣體狀態方程,並且要用求極值的方法(例如基本不等式、三角函數等),這裡用到了基本不等式:

基本不等式在物理中的運用

對於第(3)問,針對於加入最多水銀後,又再升溫至20℃,需根據熱力學第一定律ΔU=Q+W判定,氣體內能只看溫度,溫度升高,內能ΔU增加,大於0;再根據理想氣體狀態方程分析,理想氣體體積變大,對外做功,W小於0。則Q=ΔU-W>0,吸熱。

熱力學定律結合情景分析

附上物理中常用的基本不等式和重要不等式:

常用的基本不等式和重要不等式

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