问题 问答题

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

p1
T1
=
p2
T2
,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.

答案

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+

f0
S
=105+
5
10×10-4
=1.05×105Pa;

p1
T1
=
pc1
Tc1

代入数据得

105
300
=
1.05×105
Tc1

解得Tc1=315K   

T2=37+273=310K<Tc1,因此气体体积不变.

p1
T1
=
p2
T2

代入数据得 

105
300
=
p2
310

解得p2=1.03×105 Pa;

另设气体体积不变,由

p1
T1
=
p2
T2
,得
105
300
=
p2
310
,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

p1V1
T1
=
pc2Vc2
Tc2
,得
105×90
300
=
1.05×105×100
Tc2
,Tc2=350K   

T3=127+273=400K>Tc2,因此活塞已运动到卡口处,V3=100cm3

pc2
Tc2
=
p3
T3
,得
1.05×105
350
=
p3
400
,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+

f0
S
=105+
5
10×10-4
=1.05×105Pa;

p1V1
T1
=
p3V3
T3
,得
105×90
300
=
1.05×105×V3
400
,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

p1V1
T1
=
p3V3
T3
,得
105×90
300
=
p3×100
400
,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.

单项选择题
单项选择题 A1型题