高中物理求解气体变品质问题的方法

高中物理求解气体变质量问题的方法

高中物理求解气体变质量问题的方法


在利用气体的状态方程解题时,每个方程的研究对象都是一定质量的意向气体,但是在有些问题中,气体的质量可能是变化的。下面来谈谈求解这种问题的方法。


一、恰当选取研究对象,将“变品质问题”转化为“定质量问题”

运用理想气体状态方程解决问题时,首先要选取一定质量的理想气体作为研究对象。对于状态发生变化过程中,气体品质发生变化的问题,如充气,漏气等,如何选择适当的研究对象,将成为解题的关键。

图1(a)


例1、如图1(a)所示,一容器有孔与外界相通,当温度由300k上升到400k对,容器中溢出的气体质量占原来的百分之几?

解法一:选取气体温度为300k时容器中的气体作为研究对象,当温度升高后,有一部分气体溢出,咱们假设溢出的部分被一个“没有弹性可以自由扩张的气囊”装着,如图1(b)。

图1(b)

这样,当气体温度升高后,容器中的气体与“囊”中的气体质量之和便与初始状态相等。于是,将“变品质问题”转化成了“定质量问题”。由于本题压强未发生变化,状态参量列出如下:

初状态:

末状态:

由盖吕萨克定律可知:得,则溢出的气体品质与原来总质量之比为:。

图1(c)

解法二:选取气体温度为400k时容器中剩余的气体作为研究对象。设所选对象在300k时的体积为,如图1(c)示。以温度为300k时所选东西的状态为初状态,以温度为400k时所选对象的状态为末状态,则:

初状态:

末状态:

由盖吕·萨克定律可知:,说明最后剩余部分气体,在温度为300k时占总体积的75%,则溢出局部的气体占原来总质量的25%。

二、利用理想气体状态方程的推论,求解“变品质问题”

一定质量的理想气体(),若分红n个状态不同的部分,则。

在利用此推论求解“变质量问题”时,要注意初状况的气体质量与末状态的各部分气体质量之和相等。

例2、潜水艇的贮气筒与水箱相连。当贮气筒中的空气压入水箱后,水箱便排出水,使潜水艇浮起。某潜水艇贮气筒的容积是,贮有压强为的压缩空气。一次,筒内一部分空气压入水箱后,压缩空气的压强变为,求贮气筒排出的压强为的压缩空气的体积。(假设在整个过程中气体的温度未发生变化)

分析根据题意可知,一定质量的气体由初状态变化到末状态时,分成了2个状态不同的部分,即

则: 

这样便可求出排出的压缩空气的体积

三、利用虚拟气体状态的方法求解“变质量问题”

例3、容积一定的容器中盛有压强为10大气压,温度为400K的某种理想气体,用去30克气体并把温度降为300K时,压强变为7大气压。已知该气体在1大气压,300K时的密度为,求容器的容积和气体原来的质量。

分析假设容器中原来的气体从状态1全部变为压强为1大气压,温度为300K的状态2,即

在状态2中取出用去的=30克气体(这部分气体在状态2时所占体积为△V),而将剩余的气体作为状态,并令其变为状态3。即

根据理想气体状态方程,则:

又因为,所以,这样便可求出容器的容积和气体原来的质量分别为

四、利用克拉珀龙方程(PV=nRT)求解“变质量问题”

例4、容积分别为9L,6L的A、B两容器,分别装有一定质量的同种理想气体,两容器用带阀门的细管相连,并分别置于300K和400K的恒温环境中,开始A、B中气压分别为10大气压和4大气压,打开阀门得重新平衡后,气体压强为多大?A中气体进入B中的部分占A中原有气体质量的百分之几?

分析分别以A、B两部分气体作为研究对象,列出初末状态的参量如下:

初状态:

根据克拉珀龙方程,则:

又因为初状态A、B两部分气体摩尔数之和等于末状态A、B两部分气体摩尔数之和,则有:

这样便很容易求出打开阀门重新平衡后气体的压强P=8大气压,A中气体进入B中的部分与A中原有气体质量之比为:


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