如图所示,一水平固定的柱形气缸,用活塞封闭一定质量的气体.活塞面积S=10cm2,与缸壁间的最大静摩擦力 f0=5N.气缸的长度为10cm,前端的卡口可防止活塞脱落.活塞与气缸壁的厚度可忽略,外界大气压强为105Pa.开始时气体体积为90cm3,压强为105Pa,温度为27℃.求:
(1)温度缓慢升高到37℃时,气体的压强.
(2)温度缓慢升高到127℃时,气体的压强.
某同学是这样解的:温度升高,气体体积不变,由查理定律=,即可求得不同温度时的气体压强.该同学的分析正确吗?如果正确,请按他的思路求解;如果不正确,请简要说明理由,并求出正确的结果.
不正确.
因为温度升高时,气体先体积不变,压强增大,活塞与缸壁间的静摩擦力增大,所以当温度大于某一值时,气体体积会增大.
(1)当活塞刚相对缸壁滑动时,pc1=p0+=105+=1.05×105Pa;
由=,
代入数据得=,
解得Tc1=315K
T2=37+273=310K<Tc1,因此气体体积不变.
由=,
代入数据得 =,
解得p2=1.03×105 Pa;
另设气体体积不变,由=,得=,p2=1.03×105Pa;
此时活塞与缸壁间的静摩擦力f=(p2-p0)S=(1.03-1)×105×10×10-4=3N
小于最大静摩擦力,因此假设成立.
(2)当活塞刚运动到卡口处时,pc2=1.05×105Pa; Vc2=100cm3;
由=,得=,Tc2=350K
T3=127+273=400K>Tc2,因此活塞已运动到卡口处,V3=100cm3.
由=,得=,p3=1.2×105Pa;
另T3=127+273=400K>Tc1,因此活塞已向右运动.设活塞仍未到卡口处,则p3=p0+=105+=1.05×105Pa;
由=,得=,V3=114.3cm3
大于气缸的最大容积100cm3,因此活塞已运动至卡口处,V3=100cm3.
由=,得=,p3=1.2×105Pa;
答:(1)温度缓慢升高到37℃时,气体的压强为1.03×105 Pa.
(2)温度缓慢升高到127℃时,气体的压强为1.2×105Pa.