Question

3．如圖所示，開中向上豎直放置的內(nèi)壁光滑氣缸，其側(cè)壁是絕熱的，底部導(dǎo)熱，內(nèi)有兩個(gè)質(zhì)量均為m的密閉活塞，活塞A導(dǎo)熱，活塞B絕熱，將缸內(nèi)理想氣體分成I、Ⅱ兩部分．初狀態(tài)整個(gè)裝置靜止不動(dòng)處于平衡，I、Ⅱ兩部分氣體的長度均為l₀，溫度均為T₀．設(shè)外界大氣壓強(qiáng)p₀保持不變，活塞橫截面積為S，且mg=p₀S，環(huán)境溫度保持不變．求：
i．在活塞A上逐漸添加鐵砂，當(dāng)鐵砂質(zhì)量等于m時(shí)，兩活塞在某位置重新處于平衡，活塞B下降的高度；
ii．現(xiàn)只對Ⅱ氣體緩慢加熱，使活塞A回到初始位置，此時(shí)Ⅱ氣體的溫度．

Answer 1

分析 活塞A導(dǎo)熱且環(huán)境溫度保持不變，所以Ⅰ部分氣體為等溫變化，列式時(shí)列等溫變化方程．Ⅱ部分氣體的先做等溫變化，后加熱時(shí)溫度體積壓強(qiáng)均發(fā)生變化，列式時(shí)列理想氣體狀態(tài)方程．

解答 解：（1）初狀態(tài)Ⅰ氣體壓強(qiáng)：${p}_{1}^{\;}={p}_{0}^{\;}+\frac{mg}{S}$
因?yàn)椋?mg={p}_{0}^{\;}S$
故${p}_{1}^{\;}=2{p}_{0}^{\;}$
Ⅱ氣體壓強(qiáng)：${p}_{2}^{\;}={p}_{0}^{\;}+\frac{2mg}{s}=3{p}_{0}^{\;}$
添加鐵砂后Ⅰ氣體壓強(qiáng)：${p}_{1}^{′}={p}_{0}^{\;}+\frac{2mg}{S}=3{p}_{0}^{\;}$
Ⅱ氣體壓強(qiáng)：${p}_{2}^{′}={p}_{1}^{′}+\frac{mg}{S}=4{p}_{0}^{\;}$
Ⅱ氣體等溫變化，根據(jù)玻意耳定律${p}_{2}^{\;}{l}_{0}^{\;}S={p}_{2}^{′}{l}_{2}^{\;}S$
可得：${l}_{2}^{\;}=\frac{{p}_{2}^{\;}{l}_{0}^{\;}}{{p}_{2}^{′}}=\frac{3}{4}{l}_{0}^{\;}$
B活塞下降的高度${h}_{2}^{\;}={l}_{0}^{\;}-{l}_{2}^{\;}=\frac{1}{4}{l}_{0}^{\;}$
（2）Ⅰ氣體等溫變化，根據(jù)玻意耳定律：${p}_{1}^{\;}{l}_{0}^{\;}S={p}_{1}^{′}{l}_{1}^{\;}S$
可得：${l}_{1}^{\;}=\frac{{p}_{1}^{\;}{l}_{0}^{\;}}{{p}_{1}^{′}}=\frac{2}{3}{l}_{0}^{\;}$
只對Ⅱ氣體加熱，I氣體狀態(tài)不變，所以當(dāng)A活塞回到原來位置時(shí)，Ⅱ氣體高度：
${l}_{2}^{″}=2{l}_{0}^{\;}-\frac{2}{3}{l}_{0}^{\;}=\frac{4}{3}{l}_{0}^{\;}$
Ⅱ氣體壓強(qiáng)${p}_{2}^{″}={p}_{2}^{′}=4{p}_{0}^{\;}$
根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程
$\frac{{p}_{2}^{\;}{l}_{0}^{\;}S}{{T}_{0}^{\;}}=\frac{{p}_{2}^{″}{l}_{2}^{″}S}{{T}_{2}^{\;}}$
解得：${T}_{2}^{\;}=\frac{16}{9}{T}_{0}^{\;}$
答：i．在活塞A上逐漸添加鐵砂，當(dāng)鐵砂質(zhì)量等于m時(shí)，兩活塞在某位置重新處于平衡，活塞B下降的高度$\frac{1}{4}{l}_{0}^{\;}$；
ii．現(xiàn)只對Ⅱ氣體緩慢加熱，使活塞A回到初始位置，此時(shí)Ⅱ氣體的溫度$\frac{16}{9}{T}_{0}^{\;}$

點(diǎn)評 本題考察理想氣體狀態(tài)方程，找出初末狀態(tài)的狀態(tài)參量，列理想氣體狀態(tài)方程即可．