物理竞赛讲座热学

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,一竖直放置的粗细均匀的玻璃管长为,Hcm,，,内有一段长为,hcm,的水银柱，把一定质量的气体封闭在管内，当温度为,ToK,时，被封闭气体的长度为,acm,，,如图所示，已知大气压为高,Hocm,。,今将管内的气体缓慢加热，问温度至少升高到多大可使水银全部从管中溢出？,从纯数学角度讲：,T,取最大值,但从物理方面说，各物理量必须有意义，需结合实际情况作讨论：,1,。,升温水银溢出问题,第一种情形,第二种情形,第三种情形,【,物理模型,】,一竖直放置的粗细均匀的玻璃管长为,96cm,，,内有一段长为,20cm,的水银柱，被封闭气体的长度为,60cm,已知大气压为高,76cmHg,。,温度为,300K,时，如图所示，今将管内的气体缓慢加热，问温度至少升高到多大可使水银全部从管中溢出？,水银溢出经历了哪几个阶段？,第,1,阶段为等压膨胀过程，水银上升了,16cm,有同学采用这样的解法,第,2,阶段，继续加热，水银将外溢，气体压强将减小，体积,V,将增大，,PV,乘积的变化规律就只能借助于数学工具进行讨论，,PV/T=C,，当,PV,最大时，,T,就是题中要求的最高温度。,此时无需继续升温，剩余的水银会自动溢出,如图所示，粗细均匀的一端封闭，一端开口的玻璃管开口朝上竖直放置，高,h,厘米的水银柱在管子的下部封闭了一段长为,厘米的空气，玻璃管中水银上端面与管口齐平，大气压,o,厘米汞柱，问能否从管口再缓慢地注入一些水银？能否从管口再缓慢地吸出一些水银？而水银并不溢出。,2,加注水银问题,如图所示，粗细均匀的一端封闭，一端开口的玻璃管开口朝上竖直放置，高,h=,厘米的水银柱在管子的下部封闭了一定量的空气，玻璃管中水银上端面与管口齐平、管子总长度厘米，大气压,p,o,=7,厘米汞柱，现用一吸管从管口缓慢地向外吸水银，为了不使水银自动外溢，求吸出量应满足条件？,一水平放置的圆柱形气缸的质量,M=2kg,，活塞质量,m=1kg,，封闭一定质量的理想气体，气体初温为,27,0,C,，气柱长度,L,0,=100cm,，活塞横截面积,S=10cm,2,。开始时，内外气体的压强均为,1,10,5,Pa,。设活塞与气缸壁的最大静摩擦力和滑动摩擦力大小均为,5N,，求下面两种情况下，使封闭气体的温度缓慢升到,37,0,C,和,127,0,C,时，活塞相对于气缸的位移分别是多少？,(1),气缸固定在水平地面上；,（,2,）气缸放在光滑的水平面上（没有固定）,一端封闭的均匀细管弯成型，放在大气中，管的竖直部分的长度为,b,1,(cm),，,水平部分的长度为,b-b,1,(cm),，,大气压强为,(cm,汞柱,),，且已知,bH,。,在保证不使管内空气泄出的条件下，将水银从管口徐徐倒入管中，直至水银面到达管口。,(1),欲使注入管中的水银质量为最大，,b,1,应满足的条件？在此条件下，封入管内的空气柱长度为多少？,结论：,第一种情形,第二种情形,所以当,时，,注入水银柱的长度小于,由此得到,时，,注入细管内水银柱的长度有最大值,x,max,在此条件下，封闭的气柱长为,y,则,一端封闭的均匀细管弯成型，放在大气中，管的竖直部分的长度为,b,1,(cm),，,水平部分的长度为,b-b,1,(cm),，,大气压强为,(cm,汞柱,),，且已知,bH,。,在保证不使管内空气泄出的条件下，将水银从管口徐徐倒入管中，直至水银面到达管口。,(2),若在保持水银面的上表面与管口相平的条件下，使注入管内的水银为最大质量的一半，则,b,1,为多少？,由于在,条件下,进入管内水银柱长为,x,m,可知，只有在,时,管内水银面高度才可能小于,x,m,一水平放置的绝热气缸，用绝热活塞封有一定质量的理想气体，气缸和活塞的质量均为,m,，,现给活塞施加一向右的冲量，其大小为，使活塞向右运动，则在以后的运动中，被封气体内能改变的最大值是多少？（设活塞的横截面积为，活塞相对于气缸的位移为,大气压强为,p,o,),大气压力做功不计对吗？,气缸内气体对活塞和气缸的平均作用力为,F,物态变化,1,熔解和凝固,物质从固态变为液态叫熔解，从液态变为固态叫凝固。,晶体在物质熔解时，固态和液态可以共存的温度叫熔点。同种晶体在某一压强下的熔点也是其凝固点。,晶体在熔解（或凝固）过程中温度保持在熔点（或凝固点）不变。非晶体无一定的熔点。非晶体在熔解（或凝固）过程中，温度不停地上升或下降。,晶体的熔点与压强有关。熔解时体积膨胀的晶体，随所受压强增大，溶点升高；熔解时体积缩小的晶体（如冰、锑），随所受压强增大，溶点降低。,晶体中渗杂质后，溶点一般降低。,单位质量的某种物质（晶体），在熔点时，从固态完全熔解成同温度液态时吸收的热量，叫做这种物质的熔解热。单位是,J/kg,。用,表示。,【,物理模型,】,在质量为,m,1,的铜量热器中装有质量为,m,2,的水，共同的温度为,t,12,；,一块质量为,m,3,，,温度为,t,3,的冰投入量热器中，试求出在各种可能情形下的最终温度。计算时,t,3,应取负值。,已知铜、水、冰的比热分别为,c,1,、,c,2,、,c,3,冰的熔解热为,你认为可能有哪几种情形？,冰全部熔化为水,冰、水混合,水全部结为冰,表达式如何写？,为了,水全部结为冰,为了,冰、水混合,汽化和液化,物质从液态转化为气态的过程叫汽化，从气态变为液态叫液化。前者吸热，后者放热。,（,1,）蒸发和沸腾,蒸发和沸腾是汽化的两种方式。蒸发是发生在液体表面的汽化过程，可以在任何温度下进行；蒸发时液体温度降低，从周围物体吸收热量，因而蒸发有致冷作用；影响蒸发快慢的因素有：由表面的大小、液体温度的高低、通风条件的好坏、液面上蒸汽压强大小、液体本身性质。,沸腾是在液体表面和内部同时发生的汽化过程，沸腾发生时，它的饱和汽压必须等于外界压强，沸腾时液体的温度不变，这个温度称为该液体的沸点；外部压强增大，液体的沸点升高；外部压强降低，沸点降低；不同的液体在相同的压强下沸点不同。,从宏观角度，沸腾不同于蒸发，但从分子运动论观点，两者并无本质差别。沸腾时，在气、液分界面上汽化仍以蒸发的方式在进行，只是在液体内部同时出现大量小气泡上浮起至液面破裂，大大增加了汽化的速度。,（,2,）液体在蒸发过程中，若单位时间内飞离液面的分子数大于返回液体中的分子数，此时蒸发继续进行。若液体盛于密闭容器，则随着蒸发的进行，容器内蒸汽不断增加，蒸汽分子数密度逐渐增大，一旦使单位时间内通过表面蒸发的分子数等于返回液体中的分子数，即达到动态平衡时，宏观上的蒸发停止。此时的蒸汽称为饱和蒸汽。对应的压强称为饱和汽压。,饱和蒸汽有如下性质：,同一温度下，不同液体的饱和汽压不同,只要密闭容器中仍然有液体存在，饱和汽压随温度的升高而迅速上升。,温度一定时，同种液体的饱和汽压与饱和汽的体积无关。,液体汽化时，未达到动态平衡的蒸汽叫未饱和蒸汽。未饱和蒸汽近似遵循气体状态方程,汽化热,单位质量的某种物质液体转变成同温度气体时吸收的热量叫做汽化热。单位是,J/kg,。用,L,表示。,不同液体在温度相同时汽化热不同；同种液体在不同温度时的热化热也不同，温度越高，汽化热越小。,液体汽化时要保持温度不变，必须有外界热源不断供给热量，其中一部分用于增加物质内部的分子势能，从而增加物质的内能，另一部分克服恒定的外压做功，其各部分量值的变化满足热力学第一定律。,在底面积,S=20cm,2,的高圆筒容器内的轻活塞下有质量,m=9g,，,温度为,t,0,=20,0,C,水。利用功率,P=100W,加热器对水开始加热。试作出活塞竖直坐标与时间的关系图像，并求活塞的最大速度。活塞下面没有空气，活塞与容器不导热。大气压强,p,0,=1atm,，,水的比热,c=4.2 10,3,J/kg,0,C,，,汽化热,L=2.2610,6,J/kg,可分为哪几个过程？,第,1,阶段从开始到水沸腾,这个过程活塞静止,在底面积,S=20cm,2,的高圆筒容器内的轻活塞下有质量,m=9g,，,温度为,t,0,=20,0,C,水。利用功率,P=100W,加热器对水开始加热。试作出活塞竖直坐标与时间的关系图像，并求活塞的最大速度。活塞下面没有空气，活塞与容器不导热。大气压强,p,0,=1atm,，,水的比热,c=4.2 10,3,J/kg,0,C,，,汽化热,L=2.2610,6,J/kg,第,2,阶段水的饱和汽压等于大气压活塞位移由汽化水的数量来决定。,在时间,t,内汽化水的质量,活塞移动速度等于,200,8,100,第,3,阶段作等压膨胀,【,物理模型,】,一密闭气缸内装有空气，平衡状态下缸底有极少量的水，如图所示，缸内气体温度为,T,，,气体体积为,V,1,，,压强,P,1,=2atm,现将活塞缓慢下压，并保持缸内温度不变，当气体体积减小到,V,2,=V,1,/2,时，压强变为,P,2,=3atm,，求温度,T,的值。,温度为,T,时，水蒸气的气压已达饱和,初始状态空气压强,压缩后空气压强,等温过程有：,湿度、露点,表示空气干湿程度的物理量叫做湿度。,绝对湿度：空气中单位体积内所含水蒸汽的质量叫做绝对湿度。通常，把空气中水蒸汽的压强叫做绝对湿度。,相对湿度：某温度时空气的绝对湿度（用水蒸汽的压强表示）与同一温度下水的饱和汽压的百分比，。叫此时的相对湿度。,相对湿度反映了空气中的水汽离开饱和的程度。人体感到适中的相对湿度是,60%,至,70%,。,露点：使空气中原来所含的未饱和水蒸汽刚好能变为饱和水蒸汽时的温度。,气温降至露点时，空气中的实际水蒸汽的压强（绝对湿度）等于饱和水蒸汽的压强。因此可以通过测定露点确定空气的绝对湿度和相对湿度。只要从表中查出露点时的饱和汽压和所在温度时的饱和汽压即可。,【,模型变换,】,将一份潮湿空气的体积压缩为原来的四分之一，它的压强增至原来的,3,倍。若再把体积压缩二分之一，压强变为最初的,5,倍。以上一切过程都是在温度不变的情况下进行，空气和水蒸汽均为理想气体。问在最初条件下相对湿度是多少？,说明此时的压强已经饱和,设初始压强为,P,，其中空气分压为,P,1,，水蒸气分压为,P,2,，又设所在温度饱和气压为,P,0,经第,1,次压缩,经第,2,次压缩,相对湿度,【,模型变换,】,向一个容积为,1L,的预先抽空的容器中注入少量的水，并在三个温度下测量压强，得,t,1,=60,0,C,时，,p,1,=1.9210,4,Pa,t,2,=90,0,C,时，,p,2,=4.210,4,Pa,t,3,=120,0,C,时，,p,3,=4.5510,4,Pa,请根据这些数据求出注入水的质量。如果水的质量减少,20,%,，在这些温度下的压强各为多少？,T,1,=333K,T,2,=363K,T,3,=393K,（,p,1,、,T,1,）,说明当温度为,T,2,和,T,3,时蒸汽不饱和,在体积和温度不变的条件下，,说明仍是饱和汽，压强不变,理想气体的压强公式,1678,年，胡克在关于理想气体分子模型的基础上提出了气体分子与容器器壁相碰撞的概念，并把它与气体的压强相联系起来。,1738,年，伯努利在此基础上，导出了理想气体压强的基本公式：,P=,nkT,式中,k,为玻尔兹曼常数，从此式可以看出理想气体压强与分子数密度成正比，与热力学温度成正比。,大气压强产生的原因,根据玻尔兹曼分布律，气体分子在重力场中按高度的分布律为：,n=n,0,e,-mgz/kT,5,大气压强产生的原因,如图所示的,装置中，上下两个容器和连接它们的细长管都是用热容量很小的良导体做成的，管长为,，,K,为阀门，整个装置与外界绝热。开始时，阀门关闭，两容器中都盛有质量为,m,，,单位质量的热容量为,c,的某种液体。平衡时，温度都是,T,0,。,由于该液体的蒸气分子受到重力的作用，所以平衡时在管内的气体分子并非均匀分布，而是上疏下密。已知其蒸气压强是按指数规律分布，即,p,h,=p,0,e,-mgh/kT,式,中的,h,是管内某点距下面容器