Question

如圖所示，粗細(xì)均勻一端封閉、一端開口的細(xì)玻璃管總長(zhǎng)為100cm，中央折成直角，使它一半水平，一半豎直，外界大氣壓為＝76cmHg不變，管內(nèi)有30cm長(zhǎng)的水銀柱將一部分空氣封閉于封閉端，當(dāng)管內(nèi)空氣為－17℃時(shí)，空氣柱長(zhǎng)40cm．

(1)當(dāng)管內(nèi)氣體溫度上升到30℃時(shí)，管內(nèi)空氣柱有多長(zhǎng)？
(2)要將管內(nèi)水銀全部排空，管內(nèi)氣溫至少應(yīng)大于多少攝氏度？(假設(shè)溫度上升是緩慢的)

Answer 1

（1）  45cm   （2）T≥516.4L可全部排空水銀．

本題的最高溫度是否恰好在水銀全部排空的時(shí)刻，極有可能成為意外的盲點(diǎn)，因?yàn)樵谂趴账�銀的過程中壓強(qiáng)在減小，排空的速度在加快，氣體對(duì)外做功的速度也在加快，當(dāng)然會(huì)引起內(nèi)能減少的加快，如果做功的速度大于吸熱的速度，溫度就會(huì)降低，也就是說，溫度的最高點(diǎn)應(yīng)出現(xiàn)在做功的速度等于吸熱的速度的那一刻．
　(1)設(shè)水銀恰好全部進(jìn)入豎直管內(nèi)，有：
　　＝(76＋20)cmHg＝96cmHg
　　＝40cm
　　＝(273－17)K＝256K
　　＝(76＋30)cmHg＝106cmHg
　　＝50cm
　　＝？
　　據(jù)

　　有
×256K=353.4L
　　＝80.3℃＞30℃，故30℃時(shí)有水銀在水平管內(nèi)，設(shè)水銀留有x長(zhǎng)，有此時(shí)壓強(qiáng)：
＝(106－x)cmHg
＝(50－x)cm
　　據(jù)

　　有

　　解得：x＝5cm
　　所以：＝(50－5)cm＝45cm
　 (2)設(shè)管口還留有水銀柱h cm時(shí)，溫度為是排空過程中溫度的極大值有：
＝(76－h(huán))cmHg
＝(100－h(huán))cm
　　據(jù)

　　有

　　整理：    －24h＋15－7600＝0
　　方程有解有其判別式：Δ＝242－4(15－7600)
　　解得： ≤516.4L
　　即當(dāng)    T≥516.4L可全部排空水銀．
　　溫度上升時(shí)氣體體積膨脹，水平管內(nèi)的水銀逐漸減少，豎直管內(nèi)的水銀逐漸增加，對(duì)30℃時(shí)水平管內(nèi)有無水銀需做出判斷；要將管內(nèi)水銀全部排空，應(yīng)計(jì)算管內(nèi)溫度的極大值，而這一極大值不一定是出現(xiàn)在氣體恰好全部排空的時(shí)刻．
　　[思路一]設(shè)水銀恰好全部進(jìn)入豎直管內(nèi)時(shí)，求此時(shí)的溫度并與30℃時(shí)的溫度相比，看水平管內(nèi)此時(shí)是否留有水銀，進(jìn)一步求解管內(nèi)氣體溫度上升到30℃時(shí)，管內(nèi)空氣柱有多長(zhǎng)；排空水銀的過程中，設(shè)溫度的極大值出現(xiàn)在排空過程中的某一點(diǎn)，列方程即可分析求解溫度的極大值．
　　[思路二]設(shè)當(dāng)管內(nèi)氣體溫度上升到30℃時(shí)，水平管內(nèi)留有長(zhǎng)x的水銀柱，求出結(jié)果看是否合理，進(jìn)而確定當(dāng)管內(nèi)氣體溫度上升到30℃時(shí)，管內(nèi)空氣柱有多長(zhǎng)；排空水銀的過程中，設(shè)溫度的極大值出現(xiàn)在排空過程中的某一點(diǎn)，列方程即可分析求解溫度的極大值．
　　[思路三]設(shè)被封氣體體積保持不變，用p/T＝Δp/ΔT可以計(jì)算出壓強(qiáng)的增量值，也可確定當(dāng)管內(nèi)氣體溫度上升到30℃時(shí)，水平管內(nèi)有無水銀；排空水銀的過程中，設(shè)溫度的極大值出現(xiàn)在排空過程中的某一點(diǎn)，列方程即可分析求解溫度的極大值．