题目内容

18.如图所示,直立的气缸内用质量为m的活塞密闭一定质量的理想气体,气缸内壁光滑且导热良好,活塞横截面积为S.开始时活塞被螺栓K固定,气体的体积为V0,压强为$\frac{{P}_{0}}{3}$.打开固定螺栓K,活塞下落,经过足够长时间后活塞停在某处.已知大气压强为p0,周围环境温度保持不变,重力加速度为g.求:
Ⅰ.活塞从打开螺栓到停止运动下落的距离;
Ⅱ.整个过程中缸内气体是放热还是吸热?放出(或吸收)的热量是多少?

分析 (1)以活塞为研究对象,其受力平衡,温度不变,根据玻意耳定律求体积;
(2)根据活塞下降的高度,求外界对气体做功,应用热力学第一定律求吸放热.

解答 解:(Ⅰ)设活塞在位置B时,封闭气体的压强为p,体积为V,而活塞受力平衡p0S+mg=pS
解得$p={p_0}+\frac{mg}{S}$
由玻意耳定律$\frac{1}{3}{p}_{0}{V}_{0}=PV$
所以$V=\frac{{P}_{0}{V}_{0}S}{3({P}_{0}S+mg)}$
在此过程中,活塞下降的高度$h=\frac{V_0}{S}-\frac{V}{S}$=$\frac{{V}_{0}(2PS+3mg)}{3S({P}_{0}S+mg)}$
(Ⅱ)由于温度不变,所以气体的内能不变,
外界对气体做功W=(p0S+mg)h
所以:Q=$-\frac{{V}_{0}(2{P}_{0}S+3mg)}{3S}$
符号表示气体放出热量.
答:Ⅰ.活塞从打开螺栓到停止运动下落的距离是$\frac{{V}_{0}(2PS+3mg)}{3S({P}_{0}S+mg)}$;
Ⅱ.整个过程中缸内气体是放热,放出的热量是$-\frac{{V}_{0}(2{P}_{0}S+3mg)}{3S}$.

点评 本题考查热力学第一定律、气体状态方程,注意研究对象的选取是活塞还是封闭气体.

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