解题思路:由图知管内空气的压强为p,由克拉珀龙方程pV=nRT列式得到图象,压强随体积的变化关系为p-V图上过原点的直线,功的数值可用图中划有斜线的梯形面积来表示,再由由热力学第一定律W+Q=△U解得热量Q.
设玻璃管内空气柱的长度为h,大气压强为p0,管内空气的压强为p,水银密度为ρ,重力加速度为g,
由图复解17-1-1可知p+(l-h)ρg=p0①
根据题给的数据,可知p0=lρg,得p=ρgh②
若玻璃管的横截面积为S,则管内空气的体积为V=Sh③
由②③式得p=
V
Sρg④
即管内空气的压强与其体积成正比,由克拉珀龙方程pV=nRT得ρg
V2
S=nRT⑤
由⑤式可知,随着温度降低,管内空气的体积变小,根据④式可知管内空气的压强也变小,压强随体积的变化关系为p-V图上过原点的直线,如图复解17-1-2所示.在管内气体的温度由T1降到T2的过程中,气体的体积由V1变到V2,体积缩小,外界对气体做正功,功的数值可用图中划有斜线的梯形面积来表示,即有
W=
1
2ρg(
V1
S+
V2
S)(V1−V2)=ρg(
V21−
V22
2S)⑥
管内空气内能的变化△U=nCV(T2-T1)⑦设Q为外界传给气体的热量,则由热力学第一定律W+Q=△U,
有Q=△U-W⑧由⑤⑥⑦⑧式代入得Q=n(T2−T1)(CV+
1
2R)⑨
代入有关数据得Q=-0.247JQ<0表示管内空气放出热量,故空气放出的热量为Q'=-Q=0.247J⑩
答:此过程中管内空气放出的热量为0.247J.
点评:
本题考点: 理想气体的状态方程;热力学第一定律.
考点点评: 此题考查热力学第一定律和克拉伯龙方程的应用,同时注意画出图象从而求变力做功.竞赛题,属于难题.