如图所示,U形管两臂粗细不等,开口向上,右端封闭的粗管横截面积是开口的细管的三倍,管中装入水银,大气压为76cmHg。左端开口管中水银面到管口距离为11cm,且水银面比封闭管内高4cm,封闭管内空气柱长为11cm。现在开口端用小活塞封住,并缓慢推动活塞,使两管液面相平,推动过程中两管的气体温度始终不变,试求:
(1).粗管中气体的最终压强;
(2).活塞推动的距离。
见解析
设左管横截面积为S,则右管横截面积为3S,以右管封闭气体为研究对象.初状态p1=80 cmHg,
V1=11×3S=33S,两管液面相平时,Sh1=3Sh2,h1+h2=4 cm,解得h2=1 cm,此时右端封闭管内空气柱长l=10 cm,
V2=10×3S=30S
气体做等温变化有p1V1=p2V2
即80×33S=p2×30S
p2=88cmHg.
以粗管封闭气体为研究对象,气体发生等温变化,根据理想气体状态方程可求得最终压强;
再以左管气体为研究对象,气体发生等温变化,根据理想气体状态方程可求得气体体积,从而可得活塞推动的距离.
本题关键确定封闭气体的初末状态的气压、温度、体积,然后结合理想气体状态方程列式后联立求解
见解析
以左管被活塞封闭气体为研究对象
p1′=76 cmHg,V1′=11S,p2=p2′=88 cmHg
气体做等温变化有p1′V1′=p2′V2′
解得V2′=9.5S
活塞推动的距离为L=11 cm+3 cm-9.5 cm=4.5cm
以粗管封闭气体为研究对象,气体发生等温变化,根据理想气体状态方程可求得最终压强;
再以左管气体为研究对象,气体发生等温变化,根据理想气体状态方程可求得气体体积,从而可得活塞推动的距离.
本题关键确定封闭气体的初末状态的气压、温度、体积,然后结合理想气体状态方程列式后联立求解