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专题04关联气体(“两团气”)模型
处理“两团气”问题的技巧:
(1)分析“两团气”初状态和末状态的压强关系。
(2)分析“两团气”的体积及其变化关系。
(3)分析“两团气”状态参量的变化特点,选取理想气体状态方程或合适的实验定律列方程求解。
【模型演练1】(2023·全国·高考真题)如图,一封闭着理想气体的绝热汽缸置于水平地面上,用轻弹簧连接的两绝热活塞将汽缸分为f、g、h三部分,活塞与汽缸壁间没有摩擦。初始时弹簧处于原长,三部分中气体的温度、体积、压强均相等。现通过电阻丝对f中的气体缓慢加热,停止加热并达到稳定后()
??
A.h中的气体内能增加 B.f与g中的气体温度相等
C.f与h中的气体温度相等 D.f与h中的气体压强相等
【答案】AD
【详解】A.当电阻丝对f中的气体缓慢加热时,f中的气体内能增大,温度升高,根据理想气体状态方程可知f中的气体压强增大,会缓慢推动左边活塞,可知h的体积也被压缩压强变大,对活塞受力分析,根据平衡条件可知,弹簧弹力变大,则弹簧被压缩。与此同时弹簧对右边活塞有弹力作用,缓慢向右推动左边活塞。故活塞对h中的气体做正功,且是绝热过程,由热力学第一定律可知,h中的气体内能增加,A正确;
B.未加热前,三部分中气体的温度、体积、压强均相等,当系统稳定时,活塞受力平衡,可知弹簧处于压缩状态,对左边活塞分析
则
分别对f、g内的气体分析,根据理想气体状态方程有
由题意可知,因弹簧被压缩,则,联立可得
B错误;
C.在达到稳定过程中h中的气体体积变小,压强变大,f中的气体体积变大。由于稳定时弹簧保持平衡状态,故稳定时f、h中的气体压强相等,根据理想气体状态方程对h气体分析可知
联立可得
C错误;
D.对弹簧、活塞及g中的气体组成的系统分析,根据平衡条件可知,f与h中的气体压强相等,D正确。
故选AD。
【提炼总结】1.解决热力学第一定律与气体实验定律综合问题的常用思路:
(1)气体的状态变化由理想气体状态方程eq\f(pV,T)=C或结合图像直接判断分析。
(2)解决此类气体问题时,温度是联系状态方程与热力学第一定律的桥梁,在解题时,应从“温度”这个物理量寻找突破口。
(3)气体的做功情况、内能变化及吸放热关系可由热力学第一定律分析:
①由体积变化分析气体做功的情况:体积膨胀,气体对外做功;体积被压缩,外界对气体做功。
②由温度变化判断气体内能变化:温度升高,气体内能增大;温度降低,气体内能减小。
③由热力学第一定律ΔU=W+Q判断气体是吸热还是放热。
④在p-V图像中,图像与横轴所围面积表示气体对外界或外界对气体整个过程中所做的功。
2.关联气体问题
解决由活塞、液柱相联系的两部分气体时,注意找两部分气体的压强、体积等关系,列出关联关系式,再结合气体实验定律或理想气体状态方程求解。
1.(2022·全国·高考真题)如图,容积均为、缸壁可导热的A、B两汽缸放置在压强为、温度为的环境中;两汽缸的底部通过细管连通,A汽缸的顶部通过开口C与外界相通:汽缸内的两活塞将缸内气体分成I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四部分,其中第II、Ⅲ部分的体积分别为和、环境压强保持不变,不计活塞的质量和体积,忽略摩擦。
(1)将环境温度缓慢升高,求B汽缸中的活塞刚到达汽缸底部时的温度;
(2)将环境温度缓慢改变至,然后用气泵从开口C向汽缸内缓慢注入气体,求A汽缸中的活塞到达汽缸底部后,B汽缸内第Ⅳ部分气体的压强。
【答案】(1);(2)
【详解】(1)因两活塞的质量不计,则当环境温度升高时,Ⅳ内的气体压强总等于大气压强,则该气体进行等压变化,则当B中的活塞刚到达汽缸底部时,由盖吕萨克定律可得
解得
(2)设当A中的活塞到达汽缸底部时Ⅲ中气体的压强为p,则此时Ⅳ内的气体压强也等于p,设此时Ⅳ内的气体的体积为V,则Ⅱ、Ⅲ两部分气体被压缩的体积为V0-V,则对气体Ⅳ
对Ⅱ、Ⅲ两部分气体
联立解得
2.(2022·全国·高考真题)如图,一竖直放置的汽缸由两个粗细不同的圆柱形筒组成,汽缸中活塞Ⅰ和活塞Ⅱ之间封闭有一定量的理想气体,两活塞用一轻质弹簧连接,汽缸连接处有小卡销,活塞Ⅱ不能通过连接处。活塞Ⅰ、Ⅱ的质量分别为、m,面积分别为、S,弹簧原长为l。初始时系统处于平衡状态,此时弹簧的伸长量为,活塞Ⅰ、Ⅱ到汽缸连接处的距离相等,两活塞间气体的温度为。已知活塞外大气压强为,忽略活塞与缸壁间的摩擦,汽缸无漏气,不计弹簧的体积。(重力加速度常量g)
(1)求弹簧的劲度系数;
(2)缓慢加热两活塞间的气体,求当活塞Ⅱ刚运动到汽缸连接处时,活塞间气体的压强和温度。
【答案】(1);(2),
【详解】(1)设封闭气体的压强为,对两活塞和弹簧的整体受力分析,由平衡条件有
解得
对活塞Ⅰ由平衡条件有
解得弹簧的劲度系数为
(2)缓慢加热两活塞间的气体使得活塞Ⅱ刚运
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