Question

【題目】如圖1所示，水平放置的汽缸內(nèi)用活塞封閉一定質(zhì)量的理想氣體，氣體的溫度為17 ℃，活塞與汽缸底的距離L1＝12 cm，離汽缸口的距離L2＝3 cm，將汽缸緩慢地轉(zhuǎn)到開口向上的豎直位置，待穩(wěn)定后對(duì)缸內(nèi)氣體逐漸加熱，使活塞上表面剛好與汽缸口相平為止，如圖2所示。已知g＝10 m/s2，大氣壓強(qiáng)為1.0×105 Pa，活塞的橫截面積S＝100 cm2，質(zhì)量m＝20 kg，活塞可沿汽缸壁無摩擦滑動(dòng)但不漏氣，求：

(ⅰ)活塞上表面剛好與汽缸口相平時(shí)氣體的溫度為多少；

(ⅱ)在對(duì)汽缸內(nèi)氣體逐漸加熱的過程中，若氣體吸收340 J 的熱量，氣體增加的內(nèi)能為多少。

Answer 1

【答案】(ⅰ)435 K；　(ⅱ)280 J；

【解析】試題分析：根據(jù)題意求出氣缸內(nèi)氣體的狀態(tài)參量，然后應(yīng)用理想氣體狀態(tài)方程可以求出氣體的溫度；根據(jù)題意求出氣體對(duì)外做的功，然后應(yīng)用熱力學(xué)第一定律求出氣體內(nèi)能的增量。

（ⅰ）當(dāng)汽缸水平放置時(shí)，理想氣體狀態(tài)：p0＝1.0×105 Pa，V0＝L1S，T0＝(273＋17)K

當(dāng)汽缸口朝上，活塞到達(dá)汽缸口時(shí)，對(duì)活塞受力分析可得，p1S＝p0S＋mg

則理想氣體狀態(tài)：，V1＝(L1＋L2)S

由理想氣體狀態(tài)方程得：

解得T1＝435 K。

(ⅱ)當(dāng)汽缸口開口向上，穩(wěn)定但未加熱時(shí)，由玻意耳定律得p0L1S＝p1LS

解得L＝10 cm

加熱后，氣體做等壓變化，外界對(duì)氣體做功為

W＝－p0(L1＋L2－L)S－mg(L1＋L2－L)＝－60 J

根據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q

得ΔU＝280 J。