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一道热学题的探讨


一道热学题的探讨
作者:佚名 文章来源:本站原创 点击数: 更新时间:2006-8-14 2:16:01


粗细均匀的Ⅱ型玻璃管(如图),当温度为27℃时,封闭在管内的空气柱AB长30厘米,BC长10厘米。管内水银柱水平部分CD长18厘米,竖直部分DE长15厘米,外界大气压为75厘米汞柱高。

    求:当气体温度逐渐升高,要使汞柱不在水平管BD内,温度的最小值为多少?(设右管足够长、且水银不从管口掉落)

    “上当”途径:气体的初态参量为p1=60厘米汞柱高,V1=40S厘米3,S为管截面积,T1=300K。根据题意,当水平管内恰好无水银时,气体的状态参量为P2=42厘米汞柱高,V2=58S厘米3,根据理想气体状态方程解得汞柱不在水平管内的最小温度为T2=304.5K,即t2=31.5℃。

    “上当”分析:学生按照传统的思维方法,做出的这一结论,实质上是个错解。就是说,气体温度从27℃升高到31.5℃,水银柱仍有部分留在水平管BD内.该题的正确解法为:设气体温度升高到T时,水平管内的水银柱向右移动X厘米,则气体的体积为V=(40+x)S厘米3压强为p=60-x)厘米汞柱高。根据状态方程得:,解之得:x=10±。由此可得,气体的体积随温度的变化满足下面的关系式

V=(40+x)S

显然,当 T=300K时,(2)式给出的气体体积为60S厘米3,不合题意,舍去,应取(1)式。

    显而易见,(1)式有意义的前提为T≤2500/8=312.5K,而且当气体温度从300K上升到312.5K的过程中,密闭气体的长从40厘米膨胀到50厘米,水平管内的水银柱长度从18厘米缩短到8厘米.当T>312.5K时,(1)式无意义,表明上面关于水平管内有水银的列式条件不成立。即当温度超过312.5K时,水银柱不可能停留在水平管内,将发生“飞跃”,全部跃人竖直右管。由上面的分析可知,要使水平管内没有水银,温度的最小值为312.5K[从(1)式可算出,当温度升高到304.5K时,水平管中仍有16厘米长的水银柱]


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