问题 问答题

如图所示,粗细均匀一端封闭、一端开口的细玻璃管总长为100cm,中央折成直角,使它一半水平,一半竖直,外界大气压为=76cmHg不变,管内有30cm长的水银柱将一部分空气封闭于封闭端,当管内空气为-17℃时,空气柱长40cm.

(1)当管内气体温度上升到30℃时,管内空气柱有多长?

(2)要将管内水银全部排空,管内气温至少应大于多少摄氏度?(假设温度上升是缓慢的)

答案

(1)  45cm   (2)T≥516.4L可全部排空水银.

本题的最高温度是否恰好在水银全部排空的时刻,极有可能成为意外的盲点,因为在排空水银的过程中压强在减小,排空的速度在加快,气体对外做功的速度也在加快,当然会引起内能减少的加快,如果做功的速度大于吸热的速度,温度就会降低,也就是说,温度的最高点应出现在做功的速度等于吸热的速度的那一刻.

(1)设水银恰好全部进入竖直管内,有:

 =(76+20)cmHg=96cmHg

 =40cm

 =(273-17)K=256K

 =(76+30)cmHg=106cmHg

 =50cm

 =?

 据

 有

×256K=353.4L

 =80.3℃>30℃,故30℃时有水银在水平管内,设水银留有x长,有此时压强:

=(106-x)cmHg

=(50-x)cm

 据

 有

 解得:x=5cm

 所以:=(50-5)cm=45cm

(2)设管口还留有水银柱h cm时,温度为是排空过程中温度的极大值有:

=(76-h)cmHg

=(100-h)cm

 据

 有

 整理:    -24h+15-7600=0

 方程有解有其判别式:Δ=242-4(15-7600)

 解得: ≤516.4L

 即当    T≥516.4L可全部排空水银.

 温度上升时气体体积膨胀,水平管内的水银逐渐减少,竖直管内的水银逐渐增加,对30℃时水平管内有无水银需做出判断;要将管内水银全部排空,应计算管内温度的极大值,而这一极大值不一定是出现在气体恰好全部排空的时刻.

 [思路一]设水银恰好全部进入竖直管内时,求此时的温度并与30℃时的温度相比,看水平管内此时是否留有水银,进一步求解管内气体温度上升到30℃时,管内空气柱有多长;排空水银的过程中,设温度的极大值出现在排空过程中的某一点,列方程即可分析求解温度的极大值.

 [思路二]设当管内气体温度上升到30℃时,水平管内留有长x的水银柱,求出结果看是否合理,进而确定当管内气体温度上升到30℃时,管内空气柱有多长;排空水银的过程中,设温度的极大值出现在排空过程中的某一点,列方程即可分析求解温度的极大值.

 [思路三]设被封气体体积保持不变,用p/T=Δp/ΔT可以计算出压强的增量值,也可确定当管内气体温度上升到30℃时,水平管内有无水银;排空水银的过程中,设温度的极大值出现在排空过程中的某一点,列方程即可分析求解温度的极大值.

单项选择题
单项选择题