（高考物理）气体的等压变化和等容变化知识和试题详解

问题1：如何利用实验探究气体的等容变化规律？答：如图所示，在探究气体等温变化规律的实验装置中添加玻璃杯、酒精灯、温度计等实验器材即可探究气体的等容变化规律。

实验时，固定玻璃管中活塞的位置不动可以保持气体的体积不变。将玻璃管浸入装水的玻璃杯中，利用酒精灯加热玻璃杯中的水，当玻璃管中的气体与水达到热平衡状态时，可以利用温度计测量并记录气体的温度，利用压强计测量并记录玻璃管中气体的压强。利用多次测量后的数据即可探究气体的等容变化规律。实验数据记录表格如图所示。类比探究气体等温变化规律的方法，我们依然采用图像法处理实验数据。以摄氏温度t（℃）为横轴、压强p（atm）为纵轴建立坐标系作图发现，一定质量的气体在等容条件下压强随摄氏温度的变化图线（p-t图像）是一条不过原点的直线，如图所示。问题2：如何描述气体的等容变化规律？

答：问题1中实验得到的图像表明，当温度趋于某一极限值时，气体的压强趋于0。大量实验表明，这个极限值对所有气体都相同，这一值为273.15℃，即热力学温度的零点0K。

利用实验数据在热力学温度T（K）为横轴、压强p（atm）为纵轴的坐标系中作图可以发现，一定质量的气体在等容条件下压强随热力学温度的变化图线（p-T图像）是一条过原点的直线，如图所示。如果用如图所示的传感器装置进行实验，可以直接得到类似的图像。

因此气体的等容变化规律可以表述为：一定质量的某种气体，在体积不变的条件下，压强与热力学温度成正比，即这一规律最早是由法国物理学家查理于1787年通过实验发现，因此又被称作查理定律。问题3：如何利用实验探究气体的等压变化规律？答：利用如图所示的装置即可探究气体的等压变化规律。实验中，利用温度计测量并记录细玻璃管中被水银柱封住的气体的温度，通过玻璃管上的刻度可以读出气体的长度。（类比探究气体等温变化规律的实验可知无需测量玻璃管的横截面积）。子问题1：实验中如何保持气体的压强不变？答：如图所示，以玻璃管中的水银柱为研究对象进行受力分析可知，当玻璃管中的气体与水达到热平衡状态时，玻璃管中的水银柱处于静止状态，若气体的压强为p、大气压强为p0，水银柱的重力为G，则三者之间满足关系：p0S

+

G

=

pS任意温度下，玻璃管中气体的压强均满足上述关系。玻璃管上端开口，实验过程中大气压强基本保持不变，因此被水银柱封住的气体的压强保持不变。子问题2：如何利用实验数据得出气体的等压变化规律？答：实验的数据记录表格如图所示，我们依然通过图像研究气体的等压变化规律。以摄氏温度t（℃）为横轴、体积V为纵轴建立坐标系作图发现，一定质量的气体在等压条件下体积随摄氏温度的变化图线（p-t图像）也是一条不过原点的直线，如图所示。同样经过大量实验表明，当温度趋向于-273.15℃时，气体的体积趋向于0。类比可知，一定质量的气体在等压条件下体积随热力学温度的变化图线（V-T图像）也是一条过原点的直线。问题4：如何描述气体的等压变化规律？答：大量的实验结果表明，一定质量的某种气体，在压强不变的条件下，体积与热力学温度成正比，即这一规律最早是由法国化学家盖·吕萨克于1802年通过实验发现，因此又被称作盖·吕萨克定律。问题5：如何从微观角度定性解释气体的等压或者等容变化规律？答：根据气体压强的微观表达式可知：①一定质量的气体体积不变时，单位体积内的分子数n不变。气体的温度升高，分子的平均动能保持增大，即气体压强微观表达式中v2的平均值增大，因此气体的压强就会增大。②一定质量气体的等压变化过程中，若气体体积增大，单位体积内的分子数n减小；若要保持气体的压强不变，则气体压强微观表达式中v2的平均值应当增大，即气体分子的平均动能增大，气体的温度就会升高。问题6：如何利用气体的等压或者等容变化规律，解释一些生活中的现象或者事实？答：如图所示，夏季给轮胎充气时，一般都不能充得太足。这是因为如果轮胎充气过足，温度升高时轮胎内气体发生等容变化，压强会增大，很容易引起“爆胎”。如图所示，剩有半瓶热水的保温瓶经过一个夜晚，第二天拔瓶口的软木塞时会觉得很紧，不易拔出来，这一现象同样可以气体的等容变化规律进行解释：在体积不变的条件下，瓶内的气体温度降低、压强减小，因此拔出时需要用更大的力。用少量热水涮如图所示的杯子时，晃动杯子时水会迅速从吸管中喷出，也可以用气体的等容变化规律进行解释：晃动杯子的过程中，杯中气体的体积基本保持不变，温度迅速升高，气体的压强增大，于是水在内外压力差的作用下从吸管喷出。问题7：如何推理得出气体任意变化过程的规律？答：气体的三个实验定律是在保持气体的三个状态参量压强、体积和温度其中一个不变的条件下通过实验探究得出的。气体的三个状态参量都会发生变化的情况在实际中更为普遍，因此探究气体任意变化过程遵循的规律更有意义。

利用已经得到的实验定律可以从理论角度推导气体任意变化过程遵循的规律，过程如下。如图所示，在P-T图像中找到气体三个状态参量都不同的两个状态1和2，状态1的参量为p1、T1、V1，状态2的参量为p2、T2、V2。探究气体从状态1到状态2的规律可以引入第3个状态（p3、T3、V3），从状态1到3气体的体积保持不变（V1=V3），从状态3到2气体的温度保持不变（T3=T2），根据查理定律和波意耳定律有因此气体在任意两个状态之间发生变化的规律为：其中C是一个与气体质量和种类有关的常量。由于气体的三个实验定律只有在压强不太大、温度不太低的实验条件下才能成立。因此基于三个实验定律推理得出的状态方程也必须满足上述条件才能成立。物理学中把严格遵从气体实验定律的气体称为“理想气体”，理想气体三个状态参量满足的关系被称为理想气体状态方程。问题8：如何理解“理想气体”这一物理模型？答：物理学在认识和描述客观世界时，会从微观角度解释宏观现象。“理想气体”是物理学在研究气体的性质时构建的物理模型之一，因此理解“理想气体”这一模型可以从“宏观”和“微观”两个角度。①从宏观角度来看，“理想气体”在任何情况下的状态变化都必须满足气体实验定律。②从微观角度来看，理想气体的分子可以看作弹性小球；分子的大小与分子间的距离相比可忽略不计；由于分子间距离较大，分子间相互作用力可忽略不计。在《1.3

分子运动速率分