大物第五章答案.doc

1、大学物理山-W习题气体动理论一. 基本要求1. 了解气体分子热运动的图象及理想气体分子的微观模型。2. 理解气体压强、温度的统计意义，通过气体压强公式的推导，了解从提出模型、 进行统计平均、建立宏观量与微观量的联系到阐明宏观量的微观本质的思想和方法。3. 了解玻耳兹曼能量分布律及等温气压公式，并用它们来处理一些有关的简单问 题。4. 了解麦克斯韦速率分布律、分布函数、分布曲线的物理意义，了解气体分子的热运动的最概然速率、平均速率、方均根速率的意义及求法。5. 理解内能的概念及能量均分定理，会用能均分定理计算理想气体的内能。6. 了解气体分子的平均自由程、平均碰撞频率的意义及其简单计算。二. 内

2、容提要1. 理想气体的状态方程理想气体处于平衡态时， 其态参量压强p、体积V及温度RTT之间存在的关系式pVmol利用状态方程可以由一些已知的态参量推算另一些未知的态参量。2. 压强公式反映理想气体的压强P与气体分子平均平动动能；k及分子数密度n之间的关系式，其数学表达式为2 3nk 1 式中；k =丄mv2代表一个分子的平均平动动能，m代表分子的质量。23. 温度公式 描述气体温度与气体分子平均平动动能之间的关系式，其数学表达式为3kT式中，k为玻耳兹曼常量。由压强公式和温度公式可以得到理想气体物态方程的另一种形式P 二 nkT4. 能量均分定理当气体处于平衡态时，分布与每一个自由度(平动、

3、转动)上的平均能量均为ZkT。利用能均分定理很容易计算理想气体的内能。25. 理想气体的内能气体分子所具有的各种平均动能的总和。质量为M的理想气体的内能丄RTMmol 2式中M mol为气体的摩尔质量，i为自由度。6. 麦克斯韦速率分布律气体处于平衡态时，分布在速率区间 v v+dv内的分子数dN与总分子数N的比率按速率 v的分布规律。速率分布函数分布在速率v附近单位速率间隔内的分子数与总分子数的比率，即分子速率出现在 v附近单位速率间隔内的概率，亦即概率密度。贝UdNNdvf (v)随v变化的曲线称为速率分布曲线。7. 三种特征速率(1)最可几速率 气体分子分布在某速率附近的单位速率区间隔内

4、的分子数与总 分子数的比率为最大的速率，其表达式为(2)平均速率大量气体分子速率的算数平均值的根，其表达式为-8RT(3)方均根速率气体分子速率平方的平均值，其表达式为8. 平均碰撞频率与平均自由程气体分子在单位时间内与其它分子碰撞次数的平均值称为平均碰撞频率，以Z表示。气体分子在相邻两次碰撞间走过的自由路程的平均值称为平均自由程，以表示。它与Z、v的关系为第五章气体动理论和热力学5-1瓶氦气和一瓶氮气 密度相同，分子平均平动动能相同,而且它们都处于平衡状7态，则它们（A）温度相同、压强相同。（B）温度、压强都不相同。（C）温度相同，但氦气的压强大于氮气的压强。（D）温度相同，但氦气的压强小于

5、氮气的压强。 公式1【pVRT推出M molVMRTRTmolMmol分子平均平动动能相同= 3kT2也就是温度相同可见（1）式，氦气的压强大于氮气的压强，选（C）】n相同，而方均根速5-2三个容器A，B，C中装有同种理想气体，气体分子数密度率之比为.VA2 : VB2 : .Vc2 =1:2:4，则其压强之比Pa： Pb : Pc为(A) 1 : 2: 4(B) 4: 2: 1(C) 1 : 4: 16(D) 1: 4: 8公式2【P = n kT ,v2= 3RT推出i M molVa2 ： Vb2 ： Vc2 = Ta ： Tb ： Tc = 1： 2 ： 4压强之比Pa: Pb： Pc

6、=1 : 4: 16】15 C升高到27 C,而室内气压不变，则此时室内5-3若室内生起炉子后温度从 的分子数减少了（A）0.5%（ B）4%（C）9%公式3(D)21%【室内体积V压强p 不变,室内的分子数nV ,=273+15=2K,T2=273+27=300K,P = nkT5n1Vn2V % = T2 T1 n1V0T25-4某气体在温度为 T=273K时，压强为 P=1.0 10-2atm，密度p =1.24 10-2kg / m3,则该气体分子的方均根速率为 。公式4注意单位M p 二VM molRTRT仝二，推出摩尔质量代入M molV2_ 3RT.1 M mol丨3RT方均根速

7、率= . 3P/= .(3 1.0 10，1.013 105)/1.24 10 】 = 495(m/s)5-5图示的两条f (v) v曲线分别表示氢气和氧气在同一温度下的麦克斯韦速率分布曲线。由图上数据可得氢气分子的最可几速率为 氧气分子的最可几速率为 500_m/s_公式5Vp【在同一温度下，摩尔数大速率小，5-6体积为10-3m3、压强为1.013105Pa的气体分子的平动动能的总和为J。公式6【分子的平动动能：自由度i为3，与内能区别在于气体分子所具有的各种平均动能的总和。质量为M的理想气体的内能E亠丄RTM mol 2这里自由度是分子总自由度(平动、转动我们的分子模型为刚性模型，振动不

8、考虑)再结合理想气体状态方程pV 二MmolRT，内能表达式变为PV形式表达了E亠3rpvMmol 22mol5-7若气体分子的平均平动动能等于1.06 10J9J,则该气体的温度 T=公式75-8由能量自由度均分原理，设气体分子为刚性分子，自由度数为i，则当温度为T时，（1）一个分子的平均动能为 。（2）一摩尔氧气分子的 转动动能总和为 。公式8【丄kT】【2 RT】225-9在温度为27 C时，1mol氧气的内能为 J,其中分子转动的总动能为J。（氧分子可视为刚性分子）心2rt5-10 一密封房间的体积为 5X 3X 3m3,室温为20 C,室内空气分子热运动的平均 平动 动能的总和是多少

9、？如果气体的温度升高1.0K，而体积不变，则气体的内能变化多少？气体的方均根速率增加多少？（已知空气的密度p = 1.29kg/m3，摩尔质量3Mmol=29 X 10- kg/mol，且空气分子可以认为是刚性双原子分子。）【平均平动动能的总，分子自由度3】5-11 一超声波源发射超声波的功率为10W。假设它工作10s,并且全部波动能量都被1mol氧气吸收而用于增加其内能，则氧气的温度升高了多少？（氧气分子视为刚性分 子，摩尔气体常数 R=8.31J mol4 K，）10 10二MmolR(VT)大学物理山-W习题公式95【自由度5, 10 10 R(T?-TJ解参考:2解：超声波源10秒内发

10、出的能量为 P . t , 1mol氧气的内能为丘内=5 RT2P.：t10 102Ri831= 4.81K15PV出理想气体的状态方程式。公式103；kkT及压强公式2P 二2 _n ; k （ n为气体数密度）3【证：由温度公式NkT MN0kTMRT联立得P = nkTVM molVMmolV5-12试从温度公式（即分子热运动平均平动动能和温度的关系式）和压强公式推导MMmolRT】5-13试由理想气体状态方程即压强公式，推导出气体温度与气体分子热运动的平均平动动能之间的关系公式。公式11【同上，解：设气体的摩尔质量为Mmol，则质量为M的气体分子数为 N。摩尔数可表示为，也可表示为 理

11、。由此，理想气体的物态方程PV d RT二NkTM molN AM mol得护讪，将该式与理想气体的压强公式相比较得討】5-14两个容器容积相等，分别储有相同质量的N2和02气体，它们用光滑细管相连02通，管中置一小滴水银，两边的温度差为30K，当水银滴 在正中不动时，N2和。2的温度为Tn广, T2=。 （ N2的摩尔质量Mmoi=28 10-3Kg/mol） 【两容器压强相等，再结合理想气体方程】P=5 102Pa的理想气体，则容器中5-15在容积V =4 10”m3的容器中，装有压强气体分子的平动动能总和为（A）2J（ B）3J （ C）5J（D）9J【自由度3】5-16图示曲线为处于同

12、一温度T时氦（原子量4）、氖（原子量20）和氩（原子量36）、三种气体分子的速率分布曲线，其中曲线（a）是氩_气分子的速率分布曲线;曲线（c）是氦_气分子的速率分布曲线。5-17图（a） （b） （ c）各表示连接在一起的两个循环过程，其中（c）图是两个半径相等的圆构成的两个循环过程，图（玄）和（b）则为半径不等的两个圆，那么：（A） 图（a）总净功为负，图（b）总净功为正，图（c）总净功为零。（B） 图（a）总净功为负，图（b）总净功为负，图（c）总净功为正。（。）图（a）总净功为负，图（b）总净功为负，图（c）总净功为零。（D）图（a）总净功为正，图（b）总净功为正，图（c）总净功为负。P

13、J1Pd jZ*-*PcO）8OVOVOV图（a）图（b）图（c）5-18有两个相同的容器，容积固定不变，一个盛有氦气，另一个盛有 氢气（看成刚性分子的理想气体），它们的温度和压强都相等，现将5J的热量都传给氢气，使氢气温度升高，如果使氦气也升高同样的温度，则应向氦气传递的热量是：（A） 6J（ B） 5J （C） 3J（D） 2J- M “PV=MCRT，V、TP都相等，摩尔数相同,5=MmT自由度5 ,则使氦气也升高同样的温度，则应向氦气(自由度5)传递的热量MMmolRlT =3J5-19 一定量的某种理想气体起使温度为T,体积为V，该气体在下面循环过程中经过下列三个平衡过程：(1)绝热

14、膨胀到体积为 2V，( 2)等容变化使温度恢复为T,( 3)等温压缩到原来体积 V，则此整个循环过程中(A) 气体向外界放热。(B) 气体对外作正功。(C) 气体内能增加。(D )气体内能减少。5-20定量的理想气体经历acb过程时吸热200J，则经历acbda过程时吸热为(A) -1200J(C) -700J(B)-1000J(D)1000J系统Ta =Tb，这样acb过程吸热等于作功200J,V (x 10-3m3)bd过程不作功(体积不变)，da过程作负功4X 105x( 1-4 )X 10-3= -1200则经历acbda过程时吸热为(B) -1000J5-21 一定质量的理想气体完成

15、一个循环过程，此过程在V T图中用图 线1 2 3 1描写，该气体在循环过程中吸热、放热的情况是(A )在1. 2、3 1过程吸热，在 2- 3过程放热。(B) 在2： 3过程吸热，在1一； 2，3； 1过程放热 。(C) 在1- 2过程吸热，在 2- 3，3 1过程放热。(D) 在2 3，3 1过程吸热，在 1 2过程放热。5-22 一定量的理想气体分别由初态a经1过程ab和由初态a经2过程a cb到达相同的终状态b,如PT图所示，则两过程中气体从外界吸收的热量Q2的关系为(A) Qi Q2( B) Q1 0, Qi Q2(C) Qi 0, Qi0, Qi 2, A1=A2(C) 1= 2,

16、 A i A2(D) 1= 2, A iv A2:5-27 一定量的理想气体，分别经历如图( :1)所示的abc过程，(图中虚线ac为等温df为绝热线)。判断这两种过程是吸热还是放线)，和图(2)所示的def过程(图中虚线 热八、(A) abc过程吸热，def过程放热(B) abc过程放热，def过程吸热(C) abc过程和def过程都吸热(D ) abc过程和def过程都放热5-28 一定量的理想气体，从PV图上初态a经历(1)或过程到达末态b,已知a、b两态处于同一条绝热线上(图中虚线是绝热线)，问两过程中P气体吸热还是放热？J(A) ( 1)过程吸热、(2)过程放热。Q2(B) ( 1)

17、过程放热、(2)过程吸热。O(1) c -V(C)两种过程都吸热:利用第一定律找到内能增量为零的过(D) 两种过程都放热。程即可，比如等温或一个循环过程5-29对于室温下的双原子分子理想气体，在等压膨胀的情况下，系统对外所作的功与从外界吸收的热量之比A/Q等于(A) 1/3(B) 1/4(C) 2/5(D) 2/75-31 一气缸内贮有10mol的单原子分子理想气体，在压缩过程中外界作功209J，气体升温1K ,此过程中气体内能增量为 ,外界传给气体的热量为 。5-32 一定量的某种理想气体在等压过程中对外作功为200J，若此种气体为单原子分子气体，则该过程中需吸热 J；若为双原子分子气体，则

18、需吸热 Jo5-33刚性双原子分子理想气体在等压下膨胀所作的功为A，则传给气体的热量为o5-34 一定量的某种理想气体进行如图所示的循环过程。已知气体在状态A的温度013V (m3)Ta=300K，求(1) 气体在状态B、C的温度；(2 )各过程中气体对外所作的功；(3)经过整个循环过程， 气体从外界吸收的总 热量(各过程吸热的代数和)。解：(1 ) AC :等容过程Pa = PcTa TcTc 二虫Ta =10 0FABC :等压过程VbVcTc= 300K(2) Aca =0 , Abc 二 Pc(Vc -Vb) =100(1 -3) = 200J1Aab =(100 300) (3 -1

19、)400J2(3) Q= AE A=A = 400 -200 =200J5-35如图所示，abcda为1mol单原子分子理想气体的循环过程，求:(1) 气体循环一次，在吸热过程中从外 界共吸收的热量；(2 )气体循环一次对外作的净功；(3)证明 TaTc=TbTd。(x 10-3m3)解： 过程ab与be为吸热过程， 吸热总和为Q=C(Tb TJ + Cp(Tc -Tb)35PbVb -PaVa)；(PM -6必)800J22(2) 循环过程对外所做的总功为图中矩形面积TaTcPaVaRPcVcR12R2410 KPdVdR12210 KTa 乙 _ TbTd5-36 一定量的单原子分子理想气

20、体，从A态出发经等压过程膨胀到B态，又经绝热过程膨胀到 C态，如图所示。试求：这全过程中 气体对外所作的功，内能的增量以及吸收的热量。方法1, (1)从图理想状态方程推得 Ta=Tc,这样AC内能增量(Ec-Ea)为0,(2 )吸收热量 Qabc=Q ab+Qbc= Qab=4X 1051A51 x 105、厂严-P (Pa)3O 23.498 V (m )MMmolCp(TbMMmolA 二 Pb(Vc -Vb)-Pa(Vd -Va) =100JM “5再由 PV = M RT 得出 Qabc 二 5 Pa(Vb -Va)M mol2(3)做功A ABC =Qabc+(E c-Ea) = P

21、A(VB -VA)25-37 一定量的理想气体，从 P V图上同一初态 A开始，分别经历三种不同的过程 过渡到不同的末态， 但末态的温度相同。 如图所示，其中A C是绝热过程，问（1）在A； B过程中气体是吸热还是放热？为什么？（2）在A_ D过程中气体是吸热还是放热？为什么？答：（1）A B过程中气体放热因为：若以A B C A构成逆循环，则此循环中 E =0; AV0故总的 Q = Qab QbcQca0Qab D过程中气体吸热因为:若以A； D C ；A构成正循环，则此循环中E =0; A0故总的 Q - QadQdcQca0但Qca - 0 ； Qdc 05-38 一定量的某种理想气体

22、，开始时处于压强、体积、温度分别为Po -1.2 106Pa ,V0 =8.31 lOm3，To=3OOK，的状态，后经过一等容过程，温度升高到Ti=450K，再经过一等温过程，压强降到P=Po的末态。已知该理想气体的等压摩尔热容与等容摩尔热容之比CP =5。求：（1）该理想气体的等压摩尔热容Cp和等容摩尔热容 Cv。Cv 3（2）气体从始态变到末态的全过程中从外界吸收的热量。5-39 一定量的某单原子分子理想气体装在封闭的气缸里，此汽缸有可活动的活塞 （活塞与气缸壁之间无摩擦且无漏气）。已知气体的初压强 Pi=1atm,体积Vi=1L，现将该气 体在等压下加热直到体积为原来的两倍，然后在等容

23、下加热，到压强为原来的两倍，最 后作绝热膨胀，直到温度下降到初温为止，试求:（1）在p V图上将整个过程表示出来。（2）在整个过程中气体内能的改变。（3）在整个过程中气体所吸收的热量。（4）在整个过程中气体所做的功。5-40 一定量的理想气体，由状态a经b到达c。（如图，abc为一直线）求此过程中（1）气体对外作的功。（2）气体内能的增量。（3）气体吸收的热量。5-41在-热力学中做功和“传递热量”有本质的区别，“作功”是通过完成的；“传递热量” 是通过来完成的。5-42如图所示，理想气体从状态 A出发经ABCDA循环过程,回到初态A点，则循环过程中气体净吸的热量为 4020DP（ atm）C

24、5-43 一绝热容器被隔板分成两半，一半是真空，另一半是理想气体， 若把隔板抽出，气体将进行自由膨胀，达到平衡后：（A ）温度不变，熵增加。（B ）温度升高，熵增加。（C）温度降低，熵增加，（D ）温度不变，熵不变。5-44 定量的理想气体向真空作绝热自由膨胀，体积由Va增至Vb，在此过程中气体的（A ）内能不变，熵增加（B ）内能不变，熵减少（C）内能不变，熵不变（D）内能增加，熵增加5-45由绝热材料包围的容器被隔板隔为两半，左边是理想气体，右边真空。如果把隔板撤去，气体将进行自由膨胀过程，达到平衡后气体的温度 （升高、降低或不变），气体的熵 （增加、减小或不变）。5-46在一个孤立系统内

25、，一切实际过程都向着 的方向进行，这就是热力学第二定律的统计意义。从宏观上说，一切与热现象有关的实际的过 程都是。5-47熵是的定量量度。若一定量的理想气体经历一个等温膨胀过程，它的熵将 。5-48用公式AE =：CVUT （式中Cv为定容摩尔热容，视为常量，、为气体摩尔数） 计算理性气体内能增量时，此式（A）只适用于准静态的等容过程。（B）只适用于一切等容过程。（C）只适用于准静态过程。（D）适用于一切始末态为平衡态的过程 。5-49如图，bca为理性气体绝热过程，b1a和b2a是任意过程，则上述两过程种气体做功与吸收热量的情况是:(A)b1a过程放热,做负功；b2a过程放热，做负功。(B)b1a过程吸热，做负功；b2a过程放热，做负功。(C)b1a过程吸热，做正功；b2a过程吸热，做负功。(D)b1a过程放热，做正功；b2a过程吸热，做正功。大学物理山-W习题5-50 一定量的理性气体经历acb过程吸热500J，则经历acbda过程时，吸热为（A）-1200J（B）-700J533、_m )(C)-400J(D) 700J5-51在一密封容器中，储有 A、B、C三种理想气体，处于平衡状态，A种气