高考热点:理想气体的质量减少的情景计算 海哥物理 每日一题

常见计算题的理想气体的对象,一般是封闭的理想气体,一般都聚焦在初、末状态的p、v、T三个量的变化,再列方程即可。

但是也由一些气体在中间发生质量变化的情况,这种情况如何解决?今天海哥给大家分享一道难度中等的此类计算,希望在这方知识面有所扩充,建立方法。

扣在水平桌面上的热杯盖有时会发生被顶起的现象。如图,截面积为S的热杯盖扣在水平桌面上,开始时内部封闭气体的温度为300 K,压强为大气压强p0。当封闭气体温度上升到303 K时,杯盖恰好被整体顶起,放出少许气体后又落回桌面,其内部气体压强立刻减为p0,温度仍为303 K。再经过一段时间,内部气体温度恢复到300 K。整个过程中封闭气体均可视为理想气体。求:

(1)当温度上升到303 K且尚未放气时,封闭气体的压强;

(2)当温度恢复到300 K时,竖直向上提起杯盖所需的最小力。

【解析】

对于这道题,海哥是这样分析和转化的。

一、对第一问,还没放气,说明研究的对象——封闭气体还遵循原来的规律,只需要把初末状态列清楚,然后列方程即可。

以开始封闭的气体为研究对象,由题意可知,是等容变化,初状态温度T0=300 K,压强为p0,末状态温度T1=303 K,压强设为p1,由查理定律得.P0/T0=P1/T1,代入数据得P1=(101/100)*P0

二、当中间释放了气体后,里面的质量减少,无法与前面的气体联系在一起使用方程了。这时就需要转移研究对象。

我们也看到,在原来的气体变化中,303K时恰好顶起杯盖,杯盖受力分析:重力、大气压力、向上的气体的压力。前后一致,因此只要求出前面的杯盖的重量,前后相等即可计算出后面的压力和压强。

设杯盖的质量为m,第一次状态时,刚好被顶起时,由平衡条件得

p1S=p0S+mg

放出少许气体后,以杯盖内的剩余气体为研究对象,由题意可知,初状态温度T2=303 K,压强p2=p0,末状态温度T3=300 K,压强设为p3,由查理定律得

T2(p2)=T3(p3) ④

设提起杯盖所需的最小力为F,由平衡条件得

F+p3S=p0S+mg

代入数据得F=10 100(201)p0S。

【海哥点睛】对于第二问,海哥还有另外一个理解:

我们注意到气体是由损失的,如果不损失,那么之需要计算出303K时的气体压力减去300K的气体压力,就是需要增加的力气,但是损失了一部分,那这些损失的部分气体所产生的压力,就是比正常时多出来的部分,即F中比P2变化为300K时的压强还要都多出一部分压力,才能弥补上损失部分的压力。

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