- 理想气体的状态方程
- 共891题
(1)(6分)如图所示,电路与一绝热密闭气缸相连,R为电阻丝,气缸内有一定质量的理想气体,外界大气压恒定。闭合电键后,绝热活塞K缓慢且无摩擦地向右移动,则下列说法正确的是__________(填入正确选项前的字母,选对1个给3分,选对2个给4分,选对3个给6分,每选错1个扣3分,最低得分为0分)。
E.气体分子单位时间内对器壁单位面积的撞击次数减少
(2)(9分)在一端封闭、内径均匀的直玻璃管内,有一段水银柱封闭一定质量的理想气体a。将管口向上竖直放置,若温度为T,达到平衡时,气柱a的长度为L ;将管口向下竖直放置,若温度为T1,达到平衡时,气柱a的长度为L1。然后将管平放在水平桌面上,此时温度为T2,在平衡时,气柱a的长度为L2。已知:T、T1、 T2、 L 、L1;大气压P0一直保持不变,不计玻璃管和水银的体积随温度的变化。求:L2
正确答案
(1)ADE。
(2)设管的横截面积为S,设水银柱在竖直放置时产生的压强为Ph
根据理想气体状态方程有: (3分)
可得: (2分)
根据理想气体状态方程又有: (3分)
得: (1分)
这两个小题考查的是一定质量的理想气体的热力学过程,第一小题根据理想气体的温度升高,由于压强不变,气体系统吸热膨胀对外做功,内能增加,体积增大,气体分子单位时间内对器壁单位面积的撞击次数减少,ADE正确;第二小题理想气体状态方程解出压强进而解出气柱长度。
如图7-17所示,一根一端封闭的玻璃管,当L=0.96m,内有一段长h1=0.20m的水银柱。当温度为t1=27℃,开口端竖直向上时,封闭空气柱h2= 0.60m。问温度至少升到多高时,水银柱才能从管中全部溢出?(外界大气压相当于L0= 0.76m高的水银柱产生的压强)
正确答案
T2=385.2K
【错解分析】错解:以封闭气体为研究对象,其初态:p1=(L0+h1),V1=h2S下;末态是水银刚好完全溢出时的状态:p2=L0,V2=LS
T2=?
上述解答中有一个错误,就是存在“潜在假设”。即认为:水银柱在外溢过程中,气体体积越大,对应温度越高,当气体充满整个玻璃管(即水银全部溢出)时,所对应的温度是最高的。事实是:
越高。在水银末溢出前,p不变,V越大,T越大。在水银溢出的过程中,p减小,V增大,p·V的乘积并非一直增大。所以我们在解题的过程中,应找出在什么条件下,pV的乘积最大,由此确定相应的温度。
T越高,假设管中还有长为X的水银柱尚未溢出时,pV值最大,即(L0+x)(L-x)S的值最大,这是一个数学求极值问题。因为(L0+x)+(L-x)=(L0+L)与x的大小无关,所以由数学知识可知:两数之和为一常数,则当这两数相等时,其乘积最大。
所以:L0+x =L-x
即管内水银柱由0.20m溢出到还剩下0.10m的过程中,p·V的乘积越来越大,这一过程必须是升温的。此后,温度不必再升高(但要继续给气体加热),水银柱也将继续外溢,直至完全溢出。由气态方程:
代入数据得:T2=385.2K。
一端封闭一端开口,内径均匀的直玻璃管注入一段60mm的水银柱,当管水平放置达到平衡时,闭端空气柱长140mm,开口端空气柱长140mm,如图7-15所示。若将管轻轻倒转后再竖直插入水银槽内,达到平衡时,管中封闭端空气柱A长133mm,如图7-16所示(设大气压强为1.01325×105Pa(760mmHg),温度保持不变),求槽中水银进入管中的长度H=?
正确答案
H=(140×2-133-133)=34(mm)
【错解分析】错解:以水平放置作为初态,以竖直插入水银槽后作为末态,分别对A,B两部。分气体应用玻意耳定律
对A气体:pAVA=p'A·V'A
对于B气体:pBVB=p'BV'B因为p'B=p'A+h=800+60=860(mmHg)
则进入玻璃管中的水银柱长H=(LA+LB)-(L'A+L'B)
H=[(140+140)-(133+123.72)]=23.28(mm)
初看上述解题过程似乎没有问题,实际上,认真分析解题的全过程不难发现,在玻璃管竖直倒立的过程中,当其还未插入水银槽内时,水银受重力作用要下降,故封闭端空气柱变长,开口端空气柱变短,说明开口端有空气溢出,即B部分气体质量减少(不是定质量)。这部分研究对象的质量发生了变化,但如仍草率地认为初态水平,末态竖直插入的这两个状态是质量不变,而应用玻马定律,固而造成上述失误。
【正确解答】把全过程分为两个过程看待。
第一个过程:从水平到竖直尚未插入
对A气体:pAVA=p'AV'A
对B气体:L'B=(140×2-152)=128(mm)
p'B= p0 =760(mmHg)
第二个过程:当玻璃管插入水银槽后
对A气体:pA·VA=p''AV''A
可以求得p''B=(800+60)=860(mmHg)
对B气体;初态为竖直尚未插入,未态为已经插入后
p'BV'B=p''BV''B
所以,水银进入管中的水银长度为:
H=(140×2-133-133)=34(mm)
【小结】 本题与前面的第8题类似,都需要分析清楚问题所述情景的真实物理过程。而有些同学在解题时,只关注已知数值,对某些微妙的变化混然不顾,因此导致思维失误,以致产生错误解法和答案。
某同学给四只一样的气球充入了质量相同的空气(视为理想气体),分两排并列放在光滑的水平面上,再在上面放一轻质硬板,而后他慢慢地站到硬板上,在此过程中气球未爆,且认为气球中气体温度不变,外界对气球中的气体做了6J的功,则此过程中气球 (填“吸收”或“放出”)的热量为 J;若换上另外一个人表演时,某个气球突然爆炸,则该气球内的气体的内能 (填“增大”或“减小”), 气体的温度 (填“升高”或“降低”)
正确答案
放出 (3分)6J(3分)减小(2分)降低(2分)
根据热力学第一定律,气球中气体温度不变,外界对气球中的气体做了6J的功,则放出6J热量;若气球突然爆炸,则该气球内的气体的内能减小,温度降低。
一个截面积为S的圆形绝热容器装有质量为m的水。已知水的比热容为c,水的温度为t1,在阳光下照射时间为T后,温度升高到t2。若照射时阳光与水平方向的夹角为α,试算出阳光垂直照射时单位面积热辐射的功率。
正确答案
试题分析:水的温度从t1升高到 t2过程中,吸收的热量:Q吸=cm(t2-t1)
太阳光垂直热辐射的功率为P,则:Q辐射=PTSsinα,由Q吸=Q辐射得:
点评:考察学生对比热容概念的理解和基本公式的应用,难度不大。
氯化钠的单位晶胞为立方体,黑点为钠离子位置,圆圈为氯离子位置,食盐的整体就是由这些单位晶胞组成的。食盐的摩尔质量为58.5g/mol,密度为,试确定氯离子之间的最短间距。
正确答案
由图可知,相邻氯离子的间距等于立方体表面对角线的长度,先求食盐的摩尔体积,已知1mol食盐中含有2摩尔的离子(氯离子和钠离子各一摩尔),则每个离子平均占有的空间体积是
,每个离子平均占有一个立方体,故立方体边长为
最邻近的两个氯离子的间距等于
如图4-2所示,两端足够长的敞口容器中,有两个可以自由移动的光滑活塞A和B,中间封有一定量的空气,现有一块粘泥C,以EK的动能沿水平方向飞撞到A并粘在一起,由于活塞的压缩,使密封气体的内能增加,高A、B、C质量相等,则密闭空气在绝热状态变化过程中,内能增加的最大值是多少?
正确答案
本题涉及碰撞、动量、能量三个主要物理知识点,是一道综合性较强的问题,但如果总是的几个主要环节,问题将迎刃而解。
粘泥C飞撞到A并粘在一起的瞬间,可以认为二者组成的系统动量守恒,初速度为,末速度为
,则有
①在A、C一起向右运动的过程中,A、B间的气体被压缩,压强增大,所以活塞A将减速运动,而活塞B将从静止开始做加速运动。在两活塞的速度相等之前,A、B之间的气体体积越来越小,内能越来越大。A、B速度相等时内能最大,设此时速度为,此过程对A、B、C组成的系统,由动量守恒定律得(气体的质量不计):
②由能的转化和守恒定律可得:在气体压缩过程中,系统动能的减少量等于气体内能的增加量。所以有:
③解①②③得:
选修模块3-3(15分)
小题1:对于一定量的理想气体,下列说法正确的是____。
E.当气体温度升高时,气体的内能一定增大
小题2:如右图,体积为V、内壁光滑的圆柱形导热气缸顶部有一质量和厚度均可忽略的活塞;气缸内密封有温度为2.4T0、压强为1.2p0的理想气体.p0和T0分别为大气的压强和温度.已知:气体内能U与温度T的关系为U=αT,α为正的常量;容器内气体的所有变化过程都是缓慢的.求
(i)气缸内气体与大气达到平衡时的体积V1:
(ii)在活塞下降过程中,气缸内气体放出的热量Q .
正确答案
小题1:ADE
小题2:V1="V/2 " Q= p0V/2+αT0
(1)ADE(5分)
(2)(10分)解
(ⅰ)在气体由压强p=1.2p0下降到p0的过程中,气体体积不变,温度由T=2.4T0变为T1,由查理定律得 ; (2分) ①
在气体温度由T1变为T0的过程中,体积由V减小到V1,气体压强不变,由盖·吕萨克定律得 ; (2分) ②
由①②式得 V1="V/2 " .。(1分) ③
(ⅱ)在活塞下降过程中,活塞对气体做的功为W= p0(V-V1) ,(1分) ④
在这一过程中,气体内能的减少为 △U=α(T1- T0) ,(1分) ⑤
由热力学第一定律得,气缸内气体放出的热量为Q=W+△U , ⑥(1分)
由②③④⑤⑥式得 Q= p0V/2+αT0 。(1分) ⑦
1.分子动理论很好地解释了物质的宏观热力学性质,据此可判断下列说法中正确的
是 (本小题6分。在给出的四个选项中,可能只有一项符合题目要求,也可能有多项符合题目要求。全部选对的得6分,选对但不全的得3分,有选错的得0分)
2.一定质量的理想气体由状态A经状态B变为状态C,其中A→B过程为等压变化,B→C过程为等容变化.已知VA=0.3 m3,TA=TC=300K,TB=400 K.
(1) 求气体在状态B时的体积.
(2) 说明B→C过程压强变化的微观原因.
(3)设A→B过程气体吸收热量为Q1,B→C过程气体放出热量为Q2,比较Q1、Q2的大小并说明原因.
正确答案
(1)ACD(2)VB=0.4 m3. 导致气体压强变化(减小) Q1大于Q2
(1)ACD
(2)解:(1)设气体在B状态时的体积为VB,由盖·吕萨克定律得①
代入数据得VB=0.4 m3.②
(2)微观原因:气体体积不变,分子密集程度不变,温度变化(降低),气体分子平均动能变化(减小),导致气体压强变化(减小).
(3)Q1大于Q2;因TA=TC,故A→B增加的内能与B→C减少的内能相同,而A→B过程气体对外做正功,B→C过程气体不做功,由热力学第一定律可知Q1大于Q2.
如图,A和B是两个同样的球,球A放在绝热的水平面,球B用细绝热线悬挂。设两球升高相同的温度,忽略所有的热量损失,问两球吸收的热量是否相同?为什么?
正确答案
两球升高相同的温度时,由于是同样的小球,其膨胀程度应相同,则吸热升温,膨胀对外做功应相同。但由于A球置于水平面上,膨胀后重心提高,而B球悬挂,膨胀后重心下降,即A球重力势能增加,而B球重力势能减少,根据能量守恒,A球吸热较多
两球升高相同的温度时,由于是同样的小球,其膨胀程度应相同,则吸热升0温,膨胀对外做功应相同。但由于A球置于水平面上,膨胀后重心提高,而B球悬挂,膨胀后重心下降,即A球重力势能增加,而B球重力势能减少,根据能量守恒,A球吸热较多
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