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专题02活塞+汽缸模型
一.汽缸模型封闭气体压强的计算
质量为m的薄壁导热柱形汽缸,内壁光滑,用横截面积为S的活塞封闭一定量的理想气体。在下述所有过程中,汽缸不漏气且与活塞不脱离。当汽缸如图(a)竖直倒立静置时。缸内气体体积为V1,温度为T1。已知重力加速度大小为g,大气压强为p0。
(1)将汽缸如图(b)竖直悬挂,缸内气体温度仍为T1,求此时缸内气体体积V2;
(2)如图(c)所示,将汽缸水平放置,稳定后对汽缸缓慢加热,当缸内气体体积为V3时,求此时缸内气体的温度。
(1)图(a)状态下,对汽缸受力分析,如图1所示,则封闭气体的压强为p1=p0+eq\f(mg,S)
当汽缸按图(b)方式悬挂时,对汽缸受力分析,如图2所示,
则封闭气体的压强为p2=p0-eq\f(mg,S)
对封闭气体由玻意耳定律得p1V1=p2V2
解得V2=eq\f(p0S+mg,p0S-mg)V1。
(2)当汽缸按图(c)的方式水平放置时,封闭气体的压强为p3=p0
由理想气体状态方程得eq\f(p1V1,T1)=eq\f(p3V3,T3)
解得T3=eq\f(p0SV3T1,?p0S+mg?V1)。
二.活塞+汽缸模型解答技巧
解决“活塞+汽缸”类问题的一般思路
(1)弄清题意,确定研究对象。一般研究对象分两类:一类是热学研究对象(一定质量的理想气体);另一类是力学研究对象(汽缸、活塞或某系统)。
(2)分析清楚题目所述的物理过程,对热学研究对象分析清楚初、末状态及状态变化过程,依据气体实验
定律或理想气体状态方程列出方程;对力学研究对象要正确地进行受力分析,依据力学规律列出方程。
(3)注意挖掘题目中的隐含条件,如几何关系、体积关系等,列出辅助方程。
(4)多个方程联立求解。对求解的结果注意分析它们的合理性。
【模型演练1】(23-24高三下·贵州黔东南·开学考试)如图所示,一固定的竖直汽缸由一大一小两个同轴圆筒组成,两圆筒中各有一个活塞,已知大活塞的横截面积为,小活塞的横截面积为;两活塞用刚性轻杆连接,间距保持为,汽缸外大气压强为,温度为。初始时大活塞与大圆筒底部相距,两活塞间封闭气体的温度为,活塞总质量为,现汽缸内气体温度缓慢下降,忽略两活塞与汽缸壁之间的摩擦,重力加速度大小为。
(1)在大活塞到达两圆筒衔接处前的瞬间,求缸内封闭气体的温度;
(2)活塞到达衔接处后继续降低温度,当缸内封闭的气体与缸外大气达到热平衡时,求缸内封闭气体的压强;
(3)从初始状态到缸内、缸外气体达到热平衡的过程中,若气体向外界放出的热量为,求缸内封闭气体在此过程中减小的内能。
【模型演练2】(23-24高三下·山东德州·开学考试)某学校实验小组设计了测量不规则矿石体积的气压体积测量仪。如图所示为气压体积测量仪的原理图,上端开口的气压筒A和上端封闭的测量筒B均为高,横截面积的导热气缸,两气缸连接处的细管体积不计。现把待测矿石置于测量筒B中,将质量的活塞从气压筒A上方开口处放下,在两气缸内封闭一定质量的理想气体(不计活塞厚度和摩擦力),缓慢降低封闭气体的温度至,活塞稳定后,活塞距气压筒A顶端。已知环境温度为27℃,外界大气压强为,重力加速度。
(1)求矿石的体积;
(2)再把温度从缓慢升高,将活塞推到气压筒A的顶端,求此时封闭气体的温度;若该过程封闭气体内能增加了,求封闭气体从外界吸收的热量。
一、单选题
1.(23-24高三下·河北沧州·阶段练习)肺活量是衡量人体呼吸功能的一个重要指标,是指人能够呼出的气体在标准大气压下的最大体积。一同学设计了如图所示的装置测量自己的肺活量,竖直放置的汽缸中有一与汽缸壁接触良好的活塞,活塞上方放有重物,活塞由于卡槽作用在汽缸中静止不动,插销K处于打开状态,汽缸中活塞下方空间的体积为,该同学用尽全力向细吹嘴吹气后,关闭插销K,最终活塞下方空间的体积变为,已知外界大气压强为,活塞的面积为S,活塞及上方重物的总重力,汽缸的导热性能良好,则该同学的肺活量为()
A. B. C. D.
2.(23-24高三下·云南昆明·阶段练习)如图所示,绝热容器被绝热隔板和卡销锁住的绝热光滑活塞隔成A、B、C三部分,A部分为真空,B部分为一定质量的理想气体,且压强(是大气压强),C与大气连通,则下列说法中正确的是()
A.只打开隔板,B中气体对外做功,内能减少
B.只打开隔板,B中气体不做功,内能不变
C.只打开隔板,B中气体压强不变
D.只打开卡销,让活塞移动,B中气体对外做功,内能减少
3.(2024·云南·模拟预测)一定质量的理想气体被活塞封闭在气缸中,气缸和活塞的绝热性、密封性良好,如图所示。现接通电热丝加热气体,活塞缓慢向上移动,不计活塞与气缸间的摩擦,外界大气压强保持不变,则该过程()
A.气体压强不变
B.气体中每个
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