理想气体之气缸模型

前面我们已经探讨了理想气体的三大定律,而在考察三大定律的过程中,往往会选取一些模型进行考察,今天,我们首先来看气缸模型。还是结合例题来看。

如图

外壁均光滑的气缸放在倾角为θ=30°的光滑斜面上,气缸部用横截面积为S=1.0×10-2m2的光滑活塞封闭了一定质量的理想气体。活塞另一端通过轻杆固定在挡板上,此时气体温度为27℃,密闭气体的体积为2.0×10的-3 次方立方米,压强为1.2P0;气缸容积为V=3.0×10-3 m3,外界大气压强P0=1.0×105Pa:

求:①对气体加热使温度到达57℃时,气缸沿斜面移动的距离?

②保持气体温度57℃不变,用沿斜面向上的力F,大小为0.5倍的汽缸重量缓慢拉动气缸,那么能否将气缸拉离活塞?

解析:相信很多同学对这个题目都感到非常简单,但是之所以以这个为例体,最主要是给大家传递一种思路,一种所有气缸问题的思路或者套路。首先那就是要明确研究对象,气缸问题的研究对象一般是活塞,我们在完成问题的时候,首先要看是几个活塞,每个活塞都是同样的思路去列方程。什么样的方程呢?那当然是力的平衡方程。其次,我们要看理想气体有几个状态,说白了,要看它是怎么变化的?符合三大定律的哪个定律?最后我们还要强调一点,那就是每个活塞在每个状态都要写方程,这样问题就会变得很简单。

以本题为例,研究对象就是一个活塞,状态呢,就是等压变化,所以利用等压的定律就可以比较容易解决第一问了,在此不再赘述。而第二问明显是等温变化,那当然是用等温德定律了,还是就一个研究对象活塞利用平衡方程解决起来,也没有太多难度。当然,我们在一开始受力分析上需要注意的内容,大家不能全扔到脑外去了。

我们再来看一道,如下图,

壁光滑、截面积不相等的圆柱形气缸竖直放置,气缸上、下两局部的横截面积分别为2S和S.在气缸有A、B两活塞封闭着一定质量的理想气体,两活塞用一根长为l的细轻杆连接,两活塞导热性能良好,并能在气缸无摩擦地移动.活塞A的质量是2m,活塞B的质量是m.当外界大气压强为p0、温度为T0时,两活塞静止于如下图位置.假设用一竖直向下的拉力作用在B上,使A、B一起由图示位置开场缓慢向下移动l/2的距离,又处于静止状态,求这时气缸气体的压强及拉力F的大小.设整个过程中气体温度不变。

解析:按照我们上面所说的思路,很明显这个气缸有两个活塞,那么我们就要选取两个研究对象,每个研究对象都要写一组状态方程,所谓的一组,就是在每个状态都要写一个平衡方程,一般情况下都是因为压力发生了变化或者压强,发生了变化。因为本题两个活塞用轻杆连接,也可以用整体法来解决。我个人感觉还是用每个活塞做研究对象,相对来说比较容易理解,也更具有普遍性。具体的解题过程就不再赘述。

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