题目内容

如图所示为薄壁等长U型管,左管上端封闭,右管上端开口,管的横截面积为S,内装密度为ρ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.当温度为T0时,左、右管内液面高度相等,两管内空气柱长度均为L(L>h),压强均为大气压强P0.现使两边温度同时逐渐升高,求:
(1)温度升高到多少时,右管活塞开始离开卡口?
(2)温度升高到多少时,左管内液面下降
h
2
.
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(1)右管内活塞在离开卡口前,右管内气体压强P1=P0+
mg
S

右管内气体的状态变化为一等容过程,即 
P0
T0
=
P1
T1
=
P0+
mg
S
T1

所以 T1=(1+
mg
P0S
)T0

(2)以左管内气体为研究对象,设其初态为P0,LS与T0,未态为P2、V2、T2,
则有P2=P0+ρgh
V2=(L+
h
2
)S                                                    
由气体状态方程
P0V0
T0
=
P2V2
T2

解得:T2=
(P0+ρgh)(L+
h
2
)
P0L
T0

答:(1)温度升高到(1+
mg
P0S
)T0
时,右管活塞开始离开卡口;
(2)温度升高到
(P0+ρgh)(L+
h
2
)
P0L
T0
时,左管内液面下降
h
2
.
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