题目内容

1.如图所示,一水平放置的气缸,由截面积不同的两圆筒连接而成,活塞A、B用一长为3L的刚性细杆连接,它们可以在筒内无摩擦地沿水平方向左右滑动.A、B的截面积分别为SA=2S0、SB=S0.A、B之间封闭着一定质量的理想气体.两活塞外侧(A的左方和B的右方)都是大气,大气压强始终保持为Po.活塞B的中心连一不能伸长的细线,细线的另一端固定在墙上,当气缸内气体温度为T1=T0,活塞A、B的平衡位置如图所示,此时细线中的张力为F1=0.2P0S0.(答案用已知量S0、p0、T0表示)
(1)现使气缸内气体温度由初始温度T1缓慢下降至T2,T2为多少时活塞开始向右移动?
(2)继续使气缸内气体温度缓慢下降至T3,T3为多少时活塞A刚刚右移到两圆筒连接处?
(3)活塞A移到两圆筒连接处之后,维持气体温度T3不变,另外对B施加一个水平向左的推力,将两活塞慢慢推向左方,直到细线拉力重新变为F1求此时的外加推力F是多大a.

分析 (1)利用气态方程解题关键是确定状态,明确状态参量,根据活塞处于平衡状态,对其进行受力分析,可求出初始状态的压强,活塞开始移动时,细线上的作用力刚好为零,这是活塞移动的临界状态.
(2)继续使气缸内气体温度下降时,被封闭气体压强不变,气体作等压变化.
(3)根据活塞处于平衡状态,解出此时被封闭气体压强,直接根据等温变化气态方程可解出结果.

解答 解:(1)设气缸内气体压强为p,F为细线中的张力,
则活塞A、B及细杆这个整体的平衡条件为:
p0SA-p1SA+p1SB-p0SB+F1=0,
解得:p1=p0+$\frac{{F}_{1}}{{S}_{A}-{S}_{B}}$      
对于初始状态,F1=0.2p0S0,
解得,气缸中气体的初始压强:p1=1.2p0
只要气体压强p1>p0,细线就会拉直且有拉力,于是活塞不会移动.
使气缸内气体温度降低是等容降温过程,当温度下降使压强降到p0时,细线拉力变为零,
再降温时活塞开始向右移,设此时温度为T2,压强p2=p0.有  $\frac{{p}_{1}}{{T}_{1}}$=$\frac{{p}_{0}}{{T}_{2}}$  ②解得:T2=$\frac{5}{6}$T0;
(2)再降温,细线松了,要平衡必有气体压强p=p0.是等压降温过程,活塞右移、体积相应减小,
当A到达两圆筒联接处时,温度为T3,由:$\frac{{V}_{2}}{{T}_{2}}$=$\frac{{V}_{3}}{{T}_{3}}$解得:T3=$\frac{1}{2}$T0;
(3)维持T3不变,向左推活塞,是等温过程,最后压强为p4.
有:p3V3=p4V4,即:$\frac{{p}_{4}}{{p}_{3}}$=$\frac{3l{S}_{B}}{2l{S}_{A}+l{S}_{B}}$,
推力F2向左,由力的平衡条件得:
p0SA-p4SA+p4SB-p0SB+F1-F2=0,
解得:F2=0.6p0S0;
答:(1)现使气缸内气体温度由初始温度T1缓慢下降至T2,T2为$\frac{5}{6}$T0时活塞开始向右移动.
(2)继续使气缸内气体温度缓慢下降至T3,T3为$\frac{1}{2}$T0时活塞A刚刚右移到两圆筒联接处.
(3)此时的外加推力F2是0.6p0S0.

点评 利用气态方程解题时要明确气体的状态,根据力学知识求压强是关键,并求出各个状态的温度、体积然后列气体状态方程即可求解.

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