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气体压强的分析与求解
发表于:2012-07-27阅读:39次
气体压强的分析与求解

      


气态方程解题的关键是气体三个状态参量p、V, T的分析求解,这三个状态参量中又以求解气体压强为难点。若我们研究的是封闭在容器中的气体压强,且又属于要先求压强再根据气态方程求其它参量的题目.则求气体压强的一般方法与步骤是:


  (1)把封闭气体的活塞或水银柱作为研究对象,进行受力分析.与力学不同之处是,受力分析时要分析气体对活塞和水银柱的压力。


  (2)依据研究对象的运动状态来选用不同的规律来求解.若研究对象处于平衡状态,则根


据力平衡条件列式求解;若处于匀变速直线运动状态,则根据牛顿第二定律列式求解.


  例1 如图1所示,在内壁光滑,截面积不相等的竖直气缸内,A,B两活塞封闭着一定质量的理想气体.两活塞被一根无伸缩性的轻质细绳连接 ,并可在管内自由移动.已知A的质量为2m,B的质量为m,A的栽面积为2S,B的截面积为S。外界大气田PO,开始时活塞A,B静止在a,b位置,这时被封闭气体体积为V。,活塞B在竖直外力作用下,下降了l到b’位置,同时A也到了a’位置,又处于静止状态,若整个过程气体温度不变,求外力F.


  分析与解:把两活塞静止在ab位置时,AB间气体作为1状态,而把B在F作用下下降了l,AB在a’,b’位置时作为2状态。1状态体积V1=V。,2状态体积V2=V0-2LS+LS=V0-LS.



图1






1状态变到2状态是等温变化.解题关键在于求1,2状态气体在强P1、P2。由于A,B在a,a’位置和b,b’位置时均处于静止状态,故用静力平衡条件列式求解。 


活塞A,B在a,b位置时,分别对其受力分析如图2


.对A,B用平衡条件列式有:


               图2                 图3


2P1S=T+2mg+2P0S…………………….(1)


P0S+T=mg+P1S……………………………(2)


联立(1)、(2)式解得:P1=P0十3mg/S………………………….(3)


活塞A,B在a,b’位置时,对A,B活塞受力分析如图3,


分别对A,B活塞用静力平衡条件列式有:


  2P2S=T+2mg+2p。S…………………………………………(4)


  P0S+T=mg+p2S+F………………………………………  (5)


  联立(4),(5)式解得:P2=3mg+F/S+P0


  根据玻一马定律:P1V1=P2V2,并将V1,V2的值,以及(3),(6)式代入得:


F=(M+mg)V0/S(P0S-Mg)


  值得注意的是,本题有的同学试图用整体法,对A、B整体受力分析出气体压强,将管内 气体压力与绳的拉力视为内力而不考虑,这样解是错的。 虽然绳的拉力可以作为内力而不考虑,但气体对活塞A,B的压力由于横截面之不同,力的大小不相等,作用效果无法抵消。


例2 如图4所示,直简质量M=2kg,简长L。为20cm,放在地面上,用带手柄的质量m=2kg的活塞密封一定质量的空气,活塞与简光滑接触,活塞厚度不计.静止时活塞离筒底4cm,当用50N外力竖直向上作用于活塞上,活塞能否离开筒口? 



图4






分析与解;把活塞、筒看成整体,重量共为40N,而拉力50N大于重力, 整体离开地面匀加速运动.简静止时筒内气体作为1状态,匀加速运动时作为2状态.只要求出2状态的气柱长L2,与L。=20cm比较,就可知活塞是否离开筒.


1状态用整体平衡条件可求的:P1=P0+m1g/s=1.0×105+2×10/10×10-4=1.2×105pa,V1=L1S=4Scm3,1状态变到2状态是等温变化,只要求出2状态压强P2,就可以用玻-马定律求出V2


由于整体处于匀加速运动,对整体受力分析,如图5,井用牛顿第二定律求出加速度a,




     图5             图6


a=F-(m1+m2)g/(m1+m2)=50-(2+2) ×10 /(2+2)=2.5m/s2


对活塞受力分析如图6,根据牛顿第二定律:


  F+P2S-PoS-m2g=m2a 即


  P2=m2(a+s)-F/S +P0=2(2.5+10)-50/104 +1.0×105


   =2.5×104Pa


再根据被一马定律:P1V1=P2v2把上述数据代入


V2=P1V1/P2=1.2×105×4S/(2.5×104)=19.2cm3


L2=V2/s=19.2cm


  可见L2长度小于气缸总长20Cm,活塞不会离开筒.       

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