高中物理知识全解 3.2 气体.doc

高中物理知识全解 3.2 气体一：理想气体状态方程理想气体：在任何温度，任何压强下都遵从气体实验定律的气体，叫做理想气体；从微观角度来看是指：分子本身的体积和分子间的作用力都可以忽略不计的气体，称为是理想气体。（高中阶段除水蒸气外，其它气体一般都视为理想气体）注意：气体分子能充满整个容器。玻意耳定律玻意耳定律：一定质量的某种气体，在温度不变的情况下，压强p与体积v成反比。由理想气体状态方程可知：，则：【例题】如下图所示为一气压式保温瓶，瓶内密封空气体积为v，瓶内水面与出水口的高度差为h，设水的密度为r，大气压强为p0，欲使水从出水口流出，瓶内空气压缩量dv至少应为多少？【例题】用dis研究一定质量气体在温度不变时，压强与体积关系的实验装置如下图一所示，实验步骤如下： （1）把注射器活塞移至注射器中间位置，将注射器与压强传感器、数据采集器、计算机逐一连接；（2）移动活塞，记录注射器的刻度值v，同时记录对应的由计算机显示的气体压强值p； （3）用v1/p图象处理实验数据，得出如上图二所示图线i、为了保持封闭气体的质量不变，实验中采取的主要措施是_；ii、为了保持封闭气体的温度不变，实验中采取的主要措施是_和_；iii、如果实验操作规范正确，但如图所示的v1/p图线不过原点，则v0代表_.查理定律查理定律：一定质量的某种气体，在体积不变的情况下，压强p与热力学温度t成正比。 由理想气体状态方程可知：，则：【例题】如果在一固定容器内，理想气体分子速率都提高为原来的二倍，那么 （ ）a、温度和压强都升高为原来的二倍。b、温度升高为原来的二倍，压强升高为原来的四倍。c、温度升高为原来的四倍，压强升高为原来的二倍。d、温度与压强都升高为原来的四倍。 答案：d【例题】高空实验火箭起飞前，仪器舱内气体的压强为p0，温度t0=270c，在火箭竖直向上加速飞行的过程中，加速度的大小等于重力加速度g，仪器舱内水银气压计的示数为p=0.6p0，已知仪器舱是密封的，那么，这段过程中舱内温度是多少？理定律得，解得：盖吕萨克定律盖吕萨克定律：一定质量的某种气体，在压强不变的情况下，其体积v与热力学温度t成正比。由理想气体状态方程可知：，则：【例题】如下图所示， 气缸内封闭着一定质量的气体a，其温度为27。重物b和活塞的总质量为m，不计活塞与气缸壁的摩擦，试求当气体的温度由27升高到127时，气体的体积将由原来的体积v0变为多大？理想气体状态方程（理想气体状态方程也叫克拉伯龙方程）式中为物质的量，注意：运用理想气体状态方程解题时，式中的温度要用热力学温度。【例题】如图所示为一定量的理想气体的pv图，由图可得出结论（ ） a、b、c、d、是等温过程答案：a【例题】在如下气缸中封闭着一定质量的常温理想气体，一重物用细绳经滑轮与缸中光滑的活塞相连接，重物和活塞均处于平衡状态如果将缸内气体的摄氏温度降低一半，则缸内气体的体积（ ）a仍不变 b为原来的一半c小于原来的一半 d大于原来的一半【例题】如下图均匀薄壁u形管，左管上端封闭，右管开口且足够长，管的截面积为s，内装有密度为r的液体。右管内有一质量为m的活塞搁在固定卡口上，卡口与左管上端等高，活塞与管壁间无摩擦且不漏气。温度为t0时，左、右管内液面等高，两管内空气柱长度均为l，压强均为大气压强p0，重力加速度为g。现使左右两管温度同时缓慢升高，在活塞离开卡口上升前，左右两管液面保持不动，试求：（1）右管活塞刚离开卡口上升时，右管封闭气体的压强p1（2）温度升高到t1为多少时，右管活塞开始离开卡口上升（3）温度升高到t2为多少时，两管液面高度差为l 注意：理想气体状态方程（即克拉伯龙方程）是描述一定量的理想气体初状态与末状态的压强、体积、温度间关系的状态方程。它建立在波义耳定律、查理定律、盖-吕萨克定律基础之上。初状态到末状态的过程可以是等温过程、等容过程、等压过程，还可以是多个过程的组合形式，一定要理清楚细节过程而后求解。（极易失分）【例题】如下图所示，有一长为l右端开口的圆柱形气缸，一个质量不计的薄活塞封闭一定质量的理想气体，开始时活塞处在离左端处，气体温度为270c，现对气体加热。 (已知外界大气压恒为p。，绝对零度为-2730c，活塞阻力不计) 求：（1）活塞刚好到达最右端时，气缸内气体的温度。（2）当加热到4270c时，气体的压强。【例题】如下图所示，体积为v、内壁光滑的圆柱形导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2.4、压强1.2的理想气体，与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， 为正的常量；容器内气体的所有变化过程都是缓慢的。求：（1）气缸内气体与大气达到平衡时的体积v1（2）在活塞下降过程中，气缸内气体放出的热量q拓展：理想气体状态方程可以转化为相对应的数学函数，由数学函数的性质理解气体实验定律的图线并理解图线中斜率、面积等所表示的物理意义进而解决相关问题。定律过程图象图 线 特 点玻意耳定律等温变化等温变化在pv图象中是双曲线，由常数，知t越大，值就越大，远离原点的等温线对应的温度就越高，即在左图pv图象中等温变化在p图象中是通过原点的直线，由常数，知图线的斜率与温度成正比，斜率越大则温度越高，即在左图p图象中查理定律等容变化等容变化在pt图象中是过t轴上273.15 0c点的直线，在同一温度下，同一气体压强越大，气体的体积就越小，即在左图pt图象中等容变化在pt图象中是过原点的直线，由常数t，知体积越大时图线斜率越小，即在左图pt图象中盖吕萨克定律 等压变化等压变化在vt图象中是过t轴上273.15 0c点的直线，在同一温度下，同一气体体积越大，气体的压强就越小，即在左图vt图象中等压变化在vt图象中是过原点的直线，由v=常数t，知压强越大时图线斜率越小，即在左图vt图象中【例题】为了将空气装入气瓶内，现将一定质量的空气等温压缩，空气可视为理想气体下列图象能正确表示该过程中空气的压强p和体积v关系的是 （ ）【例题】如右图所示为一定质量的某种理想气体由状态a经过状态c变为状态b的图象，下列说法正确的是 （ ）a该气体在状态a时的内能等于在状态b时的内能b该气体在状态a时的内能等于在状态c时的内能c该气体在状态a至状态b为吸热过程d该气体由a至c对外界所做的功大于从c至b对外界所做的功【例题】一定质量的理想气体由状态a变为状态c，其有关数据如下图所示若气体在状态a的体积va2103 m3.求气体在状态c时的体积【例题】一定质量理想气体的状态经历了如下图所示的、四个过程，其中的延长线通过原点，垂直于且与水平轴平行，与平行，则气体体积在（ ）a过程中不断增加 b过程中保持不变c过程中不断增加 d过程中保持不变解：根据得：，由图象可知bc过程是等容过程，b对；该图象的斜率正比于，所以，a对，c、d错。答案ab【例题】一定质量的某种理想气体从状态a开始按下图所示的箭头方向经过状态b达到状态c.已知气体在a状态时的体积为1.5 l，求：(1)气体在状态c时的体积；(2)从微观上解释从状态b到状态c气体压强变化的原因；(3)说明ab、bc两个变化过程是吸热还是放热，并比较热量大小ab过程吸收的热量大于bc过程放出的热量。二：气体热现象的微观解释随机性与统计规律随机事件：若在一定条件下某事件可能出现，也可能不出现，则这个事件叫做随机事件。拓展：在一定条件下，若某事件必然出现，则这个事件叫做必然事件；若在一定条件下，某事件不可能出现，则这个事件叫做不可能事件。统计规律：大量随机事件整体表现出来的规律。气体分子运动的特点1、气体分子间的距离较大，气体分子可看做质点，但分子数密度仍然很大。2、分子间的相互作用力十分微弱，可以认为气体分子除相互碰撞及与器壁碰撞外不受其它力作用，每个分子都可以在空间自由运动，一定质量的气体的分子可以充满整个容器空间。（分子间的碰撞频繁，任何一个分子运动方向和速率大小都是不断变化的，这就是杂乱无章的气体分子热运动）3、从总体上看气体分子沿各个方向运动的机会均等，因此对大量气体分子而言，在任一时刻向容器各个方向运动的分子数是均等的。4、大量气体分子的速率是按一定规律分布的，呈“中间多，两头少”的分布规律，且这个分布状态与温度有关，温度升高时，气体分子的平均速率会增大。气体温度的微观意义理想气体的热力学温度t与分子的平均动能成正比，即：（为比例常数）温度是分子平均动能的标志。气体压强的微观意义1、气体的压强是大量气体分子频繁地碰撞器壁而产生的。2、从微观角度来看，气体压强的大小与两个因素有关：一是气体分子的平均动能，二是分子的密集程度。前者由温度决定，后者由体积决定，所以，气体的压强与温度和体积有关。推广1：压强 注意：f为垂直于s的有效正压力（或理解为s为垂直于f的有效面积）。液体产生的压强（为液体沿竖直方向上的有效高度）1、单位：帕斯卡（）2、1标准大气压= =76cm水银柱所产生的压强=10.336m水柱产生的压强3、区分分子力与压力例：两铅块能压合在一起及钢绳不易拉断是因为分子之间存在引力；水难压缩，是因为分子之间有斥力；给车轮打气，车轮被打爆了，是因为气体分子频繁撞击轮胎产生的压强增大即压力增大的结果。4、液体的沸点和液体表面的气压有关，气压越大，沸点越高。例：高山上煮不熟饭是因为高山上气压低，水的沸点就低，故煮不熟饭。5、液体，气体的流速越大，压强越小。例：如下图所示，则：【例题】如下图所示，一开口气缸内盛有密度为的某种液体；一长为l的粗细均匀的小瓶底朝上漂浮在液体中，平衡时小瓶露出液面的部分和进入小瓶中液柱的长度均为l/4.现用活塞将气缸封闭(图中未画出)，使活塞缓慢向下运动，各部分气体的温度均保持不变当小瓶的底部恰好与液面相平时，进入小瓶中的液柱长度为l/2，求此时气缸内气体的压强大气压强为p0，重力加速度为g.推广2：浮力 注意：浮力实质是从压强差角度推出的压力差，因此在求解有关问题时，一定要注意计算了浮力就不要再考虑压力差，计算了压力差就不要再考虑浮力，否则就是重复而错解。例：如下图所示，则：例：如下图所示，则：