变质量气体问题的分析技巧.doc

_分析变质量问题时，可通过巧妙地选择研究对象，使这类问题转化为一定质量的气体问题，用气体实验定律求解. （1）打气问题：向球、轮胎中充气是一个典型的变质量的气体问题，只要选择球内原有气体和即将充入的气体作为研究对象，就可把充气过程中的气体质量变化问题转化为定质量气体的状态变化问题. （2）抽气问题：从容器内抽气的过程中，容器内的气体质量不断减小，这属于变质量问题.分析时，将每次抽气过程中抽出的气体和剩余气体作为研究对象，质量不变，故抽气过程可以看做是等温膨胀过程. （3）灌气问题：将一个大容器里的气体分装到多个小容器中的问题也是一个典型的变质量问题.分析这类问题时，把大容器中的剩余气体和多个小容器中的气体视为整体作为研究对象，可将变质量问题转化为定质量问题. （4）漏气问题：容器漏气过程中气体的质量不断发生变化，属于变质量问题.如果选容器内剩余气体和漏出气体整体作为研究对象，便可使问题变成一定质量气体的状态变化，可用理想气体的状态方程求解.【典例1】 一太阳能空气集热器，底面及侧面为隔热材料，顶面为透明玻璃板，集热器容积为V0，开始时内部封闭气体的压强为p0.经过太阳曝晒，气体温度由T0300 K升至T1350 K.（1）求此时气体的压强；（2）保持T1350 K不变，缓慢抽出部分气体，使气体压强再变回到p0.求集热器内剩余气体的质量与原来总质量的比值.判断在抽气过程中剩余气体是吸热还是放热，并简述原因.解析（1）由题意知气体体积不变，由查理定律得得p1p0p0p0（2）抽气过程可等效为等温膨胀过程，设膨胀后气体的总体积为V2，由玻意耳定律可得p1V0p0V2则V2V0所以集热器内剩余气体的质量与原来总质量的比值为因为抽气过程中剩余气体温度不变，故内能不变，而剩余气体的体积膨胀对外做功.由热力学第一定律UWQ可知，气体一定从外界吸收热量.答案（1）p0（2）；吸热，原因见解析【典例2】 （2015河南郑州一中期中）用真空泵抽出某容器中的空气，若某容器的容积为V，真空泵一次抽出空气的体积为V0，设抽气时气体温度不变，容器里原来的空气压强为p，求抽出n次空气后容器中空气的压强是多少？解析设第1次抽气后容器内的压强为p1，以整个气体为研究对象.因为抽气时气体温度不变，则由玻意耳定律得 pVp1（VV0），所以p1p 以第1次抽气后容器内剩余气体为研究对象，设第2次抽气后容器内气体压强为p2，由玻意耳定律有 p1Vp2（VV0），所以p2p1（）2p 以第n1次抽气后容器内剩余气体为研究对象，设第n次抽气后容器内气体压强为pn， 由玻意耳定律得pn1Vpn（VV0） 所以pnpn1（）np 故抽出n次空气后容器内剩余气体的压强为（）np.答案（）np1.（2015湖北六校调考）（1）下列说法正确的是（）A.显微镜下观察到墨水中的小炭粒在不停的作无规则运动，这反映了液体分子运动的无规则性B.分子间的相互作用力随着分子间距离的增大，一定先减小后增大C.分子势能随着分子间距离的增大，可能先减小后增大D.在真空、高温条件下，可以利用分子扩散向半导体材料掺入其它元素E.当温度升高时，物体内每一个分子热运动的速率一定都增大2.（2015河北“五个一名校联盟”监测）（1）下列说法正确的是（）A.布朗运动就是液体分子的运动B.两分子之间同时存在着引力和斥力，引力和斥力都随分子间的距离增大而减小，但斥力比引力减小得更快C.热力学温标的最低温度为0 K，它没有负值，它的单位是物理学的基本单位之一D.气体的温度越高，每个气体分子的动能越大（2）如图所示，一直立的气缸用一质量为m的活塞封闭一定量的理想气体，活塞横截面积为S，气缸内壁光滑且缸壁是导热的，开始活塞被固定在A点，打开固定螺栓K，活塞下落，经过足够长时间后，活塞停在B点，已知ABh，大气压强为p0，重力加速度为g.求活塞停在B点时缸内封闭气体的压强；设周围环境温度保持不变，求整个过程中通过缸壁传递的热量Q（一定量理想气体的内能仅由温度决定）.解析（1）布朗运动是固体微粒的运动，是液体分子无规则热运动的反映，故A错误；两分子之间同时存在着引力和斥力，引力和斥力都随分子间的距离增大而减小，但斥力比引力减小得更快，故B正确；热力学温标的最低温度为0 K，它没有负值，它的单位是物理学的基本单位之一，故C正确；气体的温度越高，气体分子的平均动能越大，平均速率越高，满足气体分子的速率分布率，但并非每个气体分子的动能都增大，故D错误.（2）设封闭气体的压强为p，活塞受力平衡，则p0SmgpS解得pp0由于气体的温度不变，则内能的变化U0外界对气体做的功W（p0Smg）h由热力学第一定律UWQ可得QW（p0Smg）h即气体通过缸壁放热（p0Smg）h答案（1）BC（2）p0（P0Smg）h3.（2015云南三校联考）（1）关于分子动理论的规律，下列说法正确的是（）A.扩散现象说明物质分子在做永不停息的无规则运动B.压缩气体时气体会表现出抗拒压缩的力是由于气体分子间存在斥力的缘故C.两个分子距离减小时，分子间引力和斥力都在增大D.如果两个系统分别于第三个系统达到热平衡，那么这两个系统彼此之间也必定处于热平衡，用来表征它们所具有的“共同热学性质”的物理量叫做内能E.两个分子间的距离为r0时，分子势能最小（2）如图所示，竖直放置的圆柱形气缸内有一不计质量的活塞，可在气缸内作无摩擦滑动，活塞下方封闭一定质量的气体.已知活塞截面积为100 cm2，大气压强为1.0105 Pa，气缸内气体温度为27，试求：若保持温度不变，在活塞上放一重物，使气缸内气体的体积减小一半，这时气体的压强和所加重物的重力；在加压重物的情况下，要使气缸内的气体恢复原来体积，应对气体加热，使温度升高到多少摄氏度.解析（1）扩散现象是分子无规则运动的宏观表现，故A正确；压缩气体时气体会表现出抗拒压缩的力是由于气体压强的原因，故B错误；两个分子距离减小时，分子间引力和斥力都增大，故C正确；处于热平衡表明没有热量交换，而没有热量交换意味着两者的温度是一样的，但总的内能不一定一样，故D错误；当分子间rr0时，分子势能随分子间的距离增大而增大， 当分子间rr0时，随距离减小而增大， 当rr0时，分子势能最小，故E正确.（2）若保持温度不变，在活塞上放一重物，使气缸内气体的体积减小一半，根据理想气体的等温变化有p1V1p2V2其中p11105 PaV1VV2解得p22105 Pa由p2p0其中S100104 m2102m2解得所加重物的重力G1 000 N在加压重物的情况下，保持气缸内压强不变，要使气缸内的气体恢复原来体积，应对气体加热，已知p32105 Pa，V3VT3T1（27327） K300 K根据理想气体状态方程得解得T3600 K所以tT3273327答案（1）ACE（2）2105 Pa1 000 N327 4.（2014湖北八市联考）（1）（多选）关于一定量的理想气体，下列说法正确的是.A.气体分子的体积是指每个气体分子平均所占有的空间体积B.只要能增加气体分子热运动的剧烈程度，气体的温度就可以升高C.在完全失重的情况下，气体对容器壁的压强为零D.气体从外界吸收热量，其内能不一定增加E.气体在等压膨胀过程中温度一定升高（2）“拔火罐”是一种中医疗法，为了探究“火罐”的“吸力”，某人设计了如图实验.圆柱状汽缸（横截面积为S）被固定在铁架台上，轻质活塞通过细线与重物m相连，将一团燃烧的轻质酒精棉球从缸底的开关K处扔到汽缸内，酒精棉球熄灭时（设此时缸内温度为t ）密闭开关K，此时活塞下的细线刚好拉直且拉力为零，而这时活塞距缸底为L.由于汽缸传热良好，重物被吸起，最后重物稳定在距地面L/10处.已知环境温度为27 不变，mg/S与1/6大气压强相当，汽缸内的气体可看做理想气体，求t值.解析（2）对汽缸内封闭气体，状态：p1p0V1LS，T1（273t） K状态：p2p0p0V2LS，T2300 K由理想气体状态方程得解得t127 答案（1）BDE（2）127 5.2013陕西西工大附中测试，33（2）如图所示为一简易火灾报警装置，其原理是：竖直放置的试管中装有水银，当温度升高时，水银柱上升，使电路导通，蜂鸣器发出报警的响声.27 时，被封闭的理想气体气柱长L1为20 cm，水银上表面与导线下端的距离L2为5 cm.（1）当温度达到多少时，报警器会报警？（2）如果大气压降低，试分析说明该报警器的报警温度会受到怎样的影响？解析（1）温度升高时，下端气体做等压变化：，解得：T2375 K，即t2102 .（2）由玻意耳定律，同样温度下，大气压降低则下端气柱变长，即V1变大.而刚好报警时V2不变，由可知，T2变小，即报警温度降低.答案（1）102 （2）降低3.（2015中原名校豫南九校一模）（1）关于物体内能和热力学定律的说法正确的是（）A.物体内所有分子动能和分子势能的总和就是分子的内能B.第二类永动机的构想违背了热力学第二定律C.做功和热传递具有相同的物理本质D.物体没有做功时，物体吸热，物体的内能一定增加E.若一定质量的某理想气体的内能增加，则其温度一定升高（2）如图所示，一根长l75 cm、一端封闭的粗细均匀的玻璃管，管内有一段长h25 cm的水银柱，当玻璃管开口向上竖直放置时，管内水银柱封闭气柱的长度l136 cm.已知外界大气压强p75 cmHg，管内、外气体的温度不变.如果将玻璃管倒置，使开口竖直向下，问水银柱长度将是多少厘米？解析（1）物体内所有分子的动能和分子势能的总和就是物体的内能，A项错误；第二类永动机的构想违背了热力学第二定律，B项正确；做功和热传递具有不同的物理本质，C项错误；物体没有做功，即W0，物体吸热，Q0，由热力学第一定律得知，物体的内能一定增加，D项正确；一定质量的理想气体的内能只与温度有关，E项正确.（2）若水银没有流出管外，管倒置后管内空气柱的长度为x0，管的横截面积为S，则倒置前、后有：p0100 cmHg，V0L1S，p050 cmHg，V0x0S0由玻意耳定律得p0V0p0V0，即10036S50x0S解得x072 cm因为x0hl75 cm，可知有水银从管口流出设管倒置后空气柱长为x，则剩下的水银柱的长度必为（75x） cm，有：初态：p1100 cmHg，V136S末态：p175（75x） cmHgx cmHg，V1xS由玻意耳定律得：p1V1p1V1，即10036SxxS解得：x160 cm，x260 cm（舍去）即水银柱长度是：（7560） cm15 cm.答案（1）BDE（2）15 cm5.（2014云南第一次检测）如图所示，一端开口、内壁光滑的玻璃管竖直放置，管中用一段长H038 cm的水银柱封闭一段长L120 cm的空气，此时水银柱上端到管口的距离为L24 cm，大气压强恒为p076 cmHg，开始时封闭气体温度为t127 ，取0 为273 K.求：（1）缓慢升高封闭气体温度至水银开始从管口溢出，此时封闭气体的温度；（2）保持封闭气体温度不变，在竖直平面内缓慢转动玻璃管至水银开始从管口溢出，玻璃管转过的角度.解析（1）设玻璃管横截面积为S，初状态：V1L1S，T1t1273 K末状态：V2（L1L2）S，T2t2273 K据盖吕萨克定律有：代入数据解得：t287 .（2）初状态：V1L1S，p1p038 cmHg设玻璃管转过角度后水银开始溢出末状态：V2（L1L2）S，p2p038 cos cmHg据玻意尔定律有：p1V1p2V2解得：60答案（1）87 （2）606.2013湖北七市联考，33（2）如图，竖直平面内有一直角形内径相同的细玻璃管，A端封闭，C端开口，ABBCl0，且此时A、C端等高.平衡时，管内水银总长度为l0，玻璃管AB内封闭有长为的空气柱.已知大气压强为l0汞柱高.如果使玻璃管绕B点在竖直平面内顺时针缓慢地转动到BC管水平，求此时AB管内气体的压强为多少汞柱高？管内封入的气体可视为理想气体且温度不变.解析因为BC长度为l0，故顺时针旋转到BC水平时水银未流出.设BC管水平时，管内空气柱长为x，管的横截面积为S，对管内气体，玻璃管转动前：p1l0 cmHg，V1S 玻璃管转动后： 由p2（pl0px）pl0，得p2x cmHg，V2xS对A中密闭气体，由玻意耳定律得l0SxxS联立解得xl0即：p2l0 cmHg答案l0 cmHg）7.如图所示，导热的汽缸固定在水平地面上，用活塞把一定质量的理想气体封闭在汽缸中，汽缸的内壁光滑.现用水平外力F作用于活塞杆，使活塞缓慢地向右移动，由状态变化到状态，在此过程中，如果环境温度保持不变，下列说法正确的是（）（填入正确选项前的字母）A.气体分子平均动能不变B.气体内能减少C.气体吸收热量D.气体内能不变，却对外做功，此过程违反热力学第一定律，不可能实现E.气体是从单一热源吸热，全部用来对外做功，但此过程不违反热力学第二定律（2）如图所示，两端开口的U形玻璃管两边粗细不同，粗管横截面积是细管的2倍.管中装入水银，两管中水银面与管口距离均为12 cm，大气压强为p075 cmHg.现将粗管管口封闭，然后将细管管口用一活塞封闭并使活塞缓慢推入管中，直至两管中水银面高度差达6 cm为止.求： 左端液面下降多少？ 活塞下移的距离.（环境温度不变）解析（1）汽缸是导热的，封闭气体的温度始终与环境温度相同，保持不变，而温度是分子平均动能的标志，故A正确；一定质量的理想气体的内能仅仅与温度有关，内能不变，B错误；气体内能不变，对外做功，根据热力学第一定律UWQ，可知气体吸收热量，C正确；气体是从单一热源吸热，全部用来对外做功，同时伴随着外力F的作用，即引起了其他的变化，所以此过程不违反热力学第二定律，E正确、D错误.（2）设细管的液面下降了x，则粗管液面上升了，根据题意：x6cm，得x4cm对粗管内的气体应用玻意耳定律：p1V1p1V17512Sp1（122）S解得末状态粗管中气体的压强p190cmHg则细管中气体末状态的压强为（906）cmHg设活塞下移y，对细管中的气体用玻意耳定律：p2V2p2V27512S（906）（124y）S解得：y6.625cm答案（1）ACE（2）4cm6.625