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1. 查理定律和盖—吕萨克定律的比较
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2.两个重要的推论 (1)查理定律的分比形式 即一定质量的气体在体积不变的条件下,压强的变化量与热力 学温度的变化量成正比. (2)盖—吕萨克定律的分比形式 即一定质量的气体在压强不变的条件下,体积的变化量与热力
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3.“外推法”与热力学温标 通过对一定质量气体等容变化的p-t线“外推”得到的气体压 强为零时对应的温度( ℃),称为热力学温标的零度 (0 K).
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4.由温度变化引起的水银柱移动定性判断 (1)假设法(基本方法) 如图所示,水银柱原来处于平衡状态,所受合外力 为零,即此时两部分气体的压强差Δp=p1-p2,温度 升高后,两部分气体的压强都增大,假设水银柱不 动,两部分气体都为等容变化,分别可推得 若 Δp1>Δp2,水银柱所受合外力方向向上,应向上移动; 若Δp1<Δp2,水银柱向下移动,若Δp1=Δp2,水银柱不动.
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(2)图象法:在同一p-T坐标系中画出 两段气体的等容线,如图所示,在温 度相同时,p1>p2,得出气柱l1等容线 的斜率较大,当两气体升高相同的温 度ΔT时,两边气体其压强的增加量Δp1>Δp2,水银柱上移. (3)极限法:对上部的气体压强进行极限推理,认为p2→0上部为真空,升温时,p1增大,水银柱上移.
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5.应用步骤 (1)确定研究对象,即被封闭的气体. (2)分析被研究气体在状态变化时是否符合定律条件.是否是质量和体积保持不变或是质量和压强保持不变. (3)确定初、末两个状态的温度、压强或温度、体积. (4)按查理或盖—吕萨克定律公式列式求解. (5)求解结果并分析、检验.
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(1)“外推法”是科学研究的一种方法,“外推”并不表示定律适用范围的扩展.
(2)热力学温标是一种理论温标,与测温物质无关.
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【典例1】如图所示,两端封闭粗细均匀、竖直放置
的玻璃管内有一段长为h的水银柱,将管内气体分为 两部分.已知l2=2l1,若使两部分气体同时升高相同 的温度,管内水银柱将如何运动?(设原来温度相同)
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【解题指导】本题可按以下思路进行求解:
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【标准解答】此类问题的解答方法一般有“假设法”、“图象法”和“极限法”三种.
假设法:先假设管内水银柱相对玻璃管不动,即两段空气柱体积不变,用查理定律求得两气柱压强增量Δp1和Δp2,进而比较压强增量的大小.若Δp1=Δp2,水银柱不会移动;若Δp1>Δp2,水银柱向上移动;若Δp1<Δp2,水银柱向下移动.(注意:若降温时,当Δp1>Δp2,即p1比p2减小得快时,水银柱向下移动;当Δp1< Δp2,即p2比p1减小得快时,水银柱向上移动.)
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(1)利用公式:由查理定律,对于上段气柱有:
p2′/T2′=p2/T2,得p2′=p2T2′/T2. Δp2=p2′-p2=p2T2′/T2-p2, 即Δp2=ΔT2p2/T2. 同理对于下段气柱可得:Δp1=ΔT1p1/T1, 因为p1=p2+ph>p2,ΔT1=ΔT2,T1=T2, 所以Δp1>Δp2,即水银柱向上移动.
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(2)利用图象:首先在同一p-T图线上画出
两段气柱的等容图线,如图所示.由于两 气柱在相同温度T1下压强不同,所以它们 等容线的斜率也不同,气柱l1的压强较大, 等容线的斜率也较大.从图中可以看出, 当两气柱升高相同温度ΔT时,其压强的增量Δp1>Δp2,所以水银柱向上移动.
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极限法:(1)由于管上段气柱压强p2较下段气柱压强p1小,设想p2→0,即管上部认为近似为真空,于是立即得到:温度T升高,水银柱向上移动.
(2)假设两部分气体温度降低到0 K,则上下两部分气体的压强均为零,故降低相同温度时水银柱下降,那么升高相同温度水银柱会上升.
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【规律方法】 液柱移动方向的判断 此类问题的特点是:气体的状态参量p、V、T都发生了变化,直接判断液柱或活塞的移动方向比较困难,通常先进行气体状态的假设,然后应用查理定律可以很容易地求解,两部分气体压强的变化Δp,并把压强转化为压力S·Δp来比较.若Δp均大于零,则液柱向S·Δp较小的一方移动;若Δp均小于零,则液柱向|S·Δp|值较大的一方移动;若S·Δp相等,则液柱不移动.
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【变式训练】如图所示,A、B两容器容积 相等,用粗细均匀的细玻璃管连接,两容 器内装有不同气体,细管中央有一段水银 柱,在两边气体作用下保持平衡时,A中气体的温度为0 ℃,B中气体温度为20 ℃,如果将它们的温度都降低10 ℃,则水银柱将( )
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A.向A移动 B.向B移动 C.不动 D.不能确定 【解析】选A.由 可知Δp∝ 所以A部分气体压强减 小得多,水银柱将向左移.
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【变式备选】(2011·合肥高二检测)用易拉罐盛装碳酸饮料非常卫生和方便,但如果剧烈碰撞或严重受热会导致爆炸
【变式备选】(2011·合肥高二检测)用易拉罐盛装碳酸饮料非常卫生和方便,但如果剧烈碰撞或严重受热会导致爆炸.我们通常用的可乐易拉罐容积V=355 mL.假设在室温(17℃)下罐内装有0.9 V的饮料,剩余空间充满CO2气体,气体压强为 1 atm.若易拉罐能承受的最大压强为1.2 atm,则保存温度不能超过多少?
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【解析】取CO2气体为研究对象,则: 初态:p1=1 atm,T1=(273+17)K=290 K, 末态:p2=1.2 atm,T2未知. 气体发生等容变化,由查理定律 得: 答案:75℃
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1.p-T图象与V-T图象的比较
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2.对于p-T图象与V-T图象的注意事项 (1)首先要明确是p-T图象还是V-T图象 (2)不是热力学温标的先转换为热力学温标 (3)解决问题时要将图象与实际情况相结合
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(1)在图象的原点附近要用虚线表示,因为此处实际不存在,但还要表示出图线过原点.
(2)如果坐标上有数字则坐标轴上一定要标上单位,没有数字的坐标轴可以不标单位.
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【典例2】一定质量的气体,在状态变化过程中的p-T图象如图所示,在A状态时的体积为V0,试画出对应的V-T图象.
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【解题指导】解答本题应把握以下三点:
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【标准解答】对气体由A→B,根据玻意耳定律有
p0V0=3p0VB,则 对气体由B→C:根据盖—吕萨克定律: 由此可知A、B、C三点的状态量分别为 A:p0,T0,V0;B:3p0,T0, C:3p0,3T0,V0. V-T图象如图所示. 答案:见标准解答
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【变式训练】如图所示甲、乙为一定质量的某种气体的等容或等压变化图象,关于这两个图象的正确说法是( )
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A.甲是等压线,乙是等容线 B.乙图中p-t线与t轴交点对应的温度是 ℃,而甲图中V-t线与t轴的交点不一定是 ℃ C.由乙图可知,一定质量的气体,在任何情况下都是p与t成直线关系 D.乙图表明随温度每升高1 ℃,压强增加相同,但甲图随温度的升高压强不变
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【解析】选A、D. 由查理定律p=CT=C(t+273. 15)及盖—吕萨克定律V=CT=C(t+273
【解析】选A、D.由查理定律p=CT=C(t )及盖—吕萨克定律V=CT=C(t )可知,甲图是等压线,乙图是等容线,故A正确;由“外推法”可知两种图线的反向延长线与t轴的交点温度为 ℃,即热力学温度的0 K,故B错;查理定律及盖—吕萨克定律是气体的实验定律,都是在温度不太低、压强不太大的条件下得出的,当压强很大,温度很低时,这些定律就不成立了,故C错;由于图线是直线,故D正确.
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【典例】(2011·深圳高二检测)有一个敞口的玻璃瓶,当瓶内空气温度由27 ℃升高到127 ℃时,瓶内剩余的空气是原来的几分之几?
【解题指导】(1)变化前后瓶内气体的质量发生了变化,不能应用盖—吕萨克定律求解. (2)选择瓶内初状态气体为研究对象,假设气体未逸出而只是体积增大,气体的质量无变化.
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【标准解答】以27 ℃时瓶内的空气为研究对象,因为瓶口敞
开,故瓶内空气压强恒等于外界大气压,假设温度升高时, 瓶内逸出的空气进入另一个与瓶子相通的真空容器内,气体 状态变化如图所示.根据盖—吕萨克定律有: 答案:
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一、选择题 1.一定质量的气体,体积保持不变,下列过程可以实现的是 ( ) A.温度升高,压强增大 B.温度升高,压强减小 C.温度不变,压强增大 D.温度不变,压强减小 【解析】选A.由查理定律p=CT得温度和压强只能同时升高或同时降低,故A项正确.
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2.一定质量的理想气体在等压变化中体积增大了1/2,若气体原来温度为27℃,则温度的变化是( )
A.升高450 K B.升高了150 ℃ C.升高了40.5 ℃ D.升高了450 ℃
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【解析】选B.气体做等压变化故符合盖—吕萨克定律,由
公式 得: 故ΔT=T2-T1=150 K 即温度升高了150 K,B正确.
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3.(2011·东营高二检测)一定质量的气体,在体积不变时,
温度由50 ℃加热到100 ℃,气体的压强变化情况是( ) A.气体压强是原来的2倍 B.气体压强比原来增加了 倍 C.气体压强是原来的3倍 D.气体压强比原来增加了 倍
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【解析】选D.根据查理定律 得 即压强变为原来的 倍. 气体压强比原来增加了 倍,所以正确答案为D.
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4.如图所示是一定质量的气体从状态A经B到状态C再到状态A的p-T图象,由图可知( )
A.VA=VB B.VB>VC C.VB=VC D.VA>VC
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【解析】选A.A沿直线到B是等容过程,因此VA=VB,故A项正确;连接OC可知,直线OC的斜率比直线OB的斜率小,因此VB<VC,VA<VC,故B、C、D均错误.
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5.一定质量的理想气体V-t图象如图所 示,在气体由状态A变化到状态B的过程 中,气体的压强( ) A.一定不变 B.一定减小 C.一定增加 D.不能判定怎样变化 【解析】选D.若BA的延长线交于t轴上 ℃则是等压变化,气体压强一定不变.若与t轴交点位于 ℃的右方,则气体的压强一定减小,若与t轴交点位于 ℃的左方,则气体的压强一定增大.
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6.对于一定质量的气体,以下说法正确的是( ) A.气体做等容变化时,气体的压强和温度成正比 B.气体做等容变化时,温度升高1 ℃,增加的压强是原来压强的1/273 C.气体做等容变化时,气体压强的变化量与温度的变化量成正比 D.由查理定律可知,等容变化中,气体温度从t1升高到t2时,气体压强由p1增加到p2,且p2=p1[1+(t2-t1)/273]
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【解析】选C.一定质量的气体做等容变化,气体的压强跟热力
学温度成正比,跟摄氏温度不成正比关系,选项A错;根据公式pt=p0(1+t/273),其中p0是0 ℃时的压强 B选项错误. 由公式 得选项C正确.D项中 得 故D项错误.
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7.(2011·西城高二检测)如图所示,两端开口的弯管,左管
插入水银槽中,右管有一段高为h的水银柱,中间封有一段空 气,则( )
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A.弯管左管内外水银面的高度差为h B.若把弯管向上移动少许,则管内气体体积增大 C.若把弯管向下移动少许,则右管内的水银柱沿管壁上升 D.若环境温度升高,则右管内的水银柱沿管壁上升 【解析】选A、D.被封闭气体的压强按右边计算为p=p0+ph,按左边算也为p=p0+ph,故左管内外水银面的高度差为h,A项正确;气体的压强不变,温度不变,故体积不变,B、C均错;压强不变,温度升高,体积增大,右管中水银柱沿管壁上升,D项正确.
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8.(2010·上海高考)一定质量理想气体的状态经历了如图所示的ab、bc、cd、da四个过程,其中bc的延长线通过原点,cd垂直于ab且与水平轴平行,da与bc平行,则气体体积在( )
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A.ab过程中不断增加 B.bc过程中保持不变 C.cd过程中不断增加 D.da过程中保持不变 【解析】选A、B.首先,因为bc的延长 线通过原点,所以bc是等容线,即气体 体积在bc过程中保持不变,B正确;ab 是等温线,压强减小则体积增大,A正 确;cd是等压线,温度降低则体积减小, C错误;连接aO交cd于e,则ae是等容线,即Va=Ve,因为Vd<Ve,所以Vd<Va,所以da过程中体积不是保持不变,D错误.
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【方法技巧】 利用p-T、V-T图象解题的技巧
过原点的直线. ②等容变化用V-T图象表示,等压变化用p-T图象表示,均为 平行于T轴的直线. ③p-T图象和V-T图象可以相互转换. ④应用图象解决问题时,要注意数学公式与图象的数图转 换,图象与物理过程、物理意义之间的相互关系,对于图线 有关问题的分析讨论,常常需要添加辅助线,然后根据有关 方程讨论.
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二、非选择题 9.如图所示是伽利略设计的一种测温装置,玻 璃泡A内封有一定质量的空气,与A相连的B管 插在水银槽中,制作时,先给球形容器微微加 热,跑出一些空气,插入水银槽中时,水银能 上升到管内某一高度,设B管的体积与A泡的体 积相比可略去不计.在1标准大气压下对B管进行 温度刻度(1标准大气压相当于76 cmHg的压强).已知当温度t1=27 ℃时,管内水银面高度h1=16 cm,此高度即为27℃的刻线,问t=0℃的刻线在何处?
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【解析】应选玻璃泡A内的一定质量的气体为研究对象,对于
B管的体积略去不计,温度变化时A内的气体经历的是一个等 容过程. 玻璃泡A内的气体的初始状态:T1=300 K,p1=(76-16) cmHg= 60 cmHg.末状态,即t=0℃的状态:T0=273 K,由查理定律得 所以t=0 ℃时水银面高 度,即刻线的位置是x0=( ) cm=21.4 cm. 答案:21.4 cm
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10.(2011·成都高二检测)体积为V=100 cm3的 空心球带有一根有刻度的均匀玻璃长管,管上 共有N=101 个刻度线,设长管与球连接处为 第一个刻度线,以后顺次往上排列,相邻两刻 度间管的容积为0.2 cm3,水银液滴将球内空气 与大气隔开,如图所示,当温度t=5℃时,水银 液滴底端在刻度为n=20的地方,在此大气压下,求其测量温度的范围.(不计玻璃管的热膨胀)
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【解析】测量温度的范围应该为:气体的体积从V1=100 cm3等压变化到V2=100 cm3+100×0
【解析】测量温度的范围应该为:气体的体积从V1=100 cm3等压变化到V2=100 cm3+100×0.2 cm3=120 cm3,这个范围所对应的气体温度T1~T2之间,根据题意当T0=273 K+5 K=278 K时,气体的体积V0=(100+20×0.2) cm3=104 cm3 根据盖—吕萨克定律有: 得 根据 因t1=T1-273=-5.7 ℃,t2=T2-273=47.8 ℃,所以利用该装置能测量温度的范围是-5.7~47.8 ℃. 答案:-5.7~47.8 ℃
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