Question

8．如圖所示，兩個(gè)可導(dǎo)熱的氣缸豎直放置，它們的底部是由細(xì)管連通（忽略細(xì)管的容積）．兩氣缸各有一個(gè)活塞，質(zhì)量分別為m₁和m₂，（已知m₁=3m，m₂=2m）．活塞與氣缸無(wú)摩擦．活塞的下方為理想氣體，上方為真空．當(dāng)氣體處于平衡狀態(tài)時(shí)，兩活塞位于同一高度h，在兩活塞上面各放一個(gè)質(zhì)量為m的物塊，氣體再次達(dá)到平衡后兩活塞的高度差為（環(huán)境溫度保持不變）$\frac{5}{4}h$．在達(dá)到上一問(wèn)的終態(tài)后，環(huán)境溫度由T₀緩慢升高到T，在這個(gè)過(guò)程中，氣體對(duì)活塞做功為$5mgh（\frac{T}{{T}_{0}^{\;}}-1）$（假定在氣體狀態(tài)變化過(guò)程中，兩物塊均不會(huì)碰到氣缸頂部）．

Answer 1

分析 （1）不加物體時(shí)，兩側(cè)等高，說(shuō)明活塞產(chǎn)生的壓強(qiáng)相等；在兩活塞上同時(shí)各放一質(zhì)量為m的物塊后，氣體全部在左側(cè)汽缸中，先求解出氣壓，然后根據(jù)玻意耳定律列式求解；
（2）等壓膨脹過(guò)程，先根據(jù)蓋-呂薩克定律列式求解末狀態(tài)體積，然后求解氣體對(duì)活塞做多少功

解答 解：（1）設(shè)左、右活塞的面積分別為A′和A，由于氣體處于平衡狀態(tài)，故兩活塞對(duì)氣體的壓強(qiáng)相等，
即$\frac{3mg}{A′}=\frac{2mg}{A}$
由此得$A′=\frac{3}{2}A$
在兩個(gè)活塞上各加一質(zhì)量為m的物塊后，右邊物體對(duì)活塞產(chǎn)生的壓強(qiáng)較大，所以氣體向左氣缸移動(dòng)，最終右活塞降至氣缸底部，所有氣體都在左氣缸中．
在初態(tài)，氣體的壓強(qiáng)為$\frac{2mg}{A}$，體積為$\frac{5}{2}Ah$；在末態(tài)，氣體壓強(qiáng)為$\frac{8mg}{3A}$，體積為$\frac{3}{2}Ax$（x為左活塞的高度）．由玻意耳定律得：
$\frac{2mg}{A}•\frac{5}{2}Ah=\frac{8mg}{3A}•\frac{3}{2}Ax$
解得：$x=\frac{5}{4}h$，即兩活塞的高度差為$\frac{5}{4}h$
（2）當(dāng)溫度由${T}_{0}^{\;}$上升至T時(shí)，氣體的壓強(qiáng)始終為$\frac{8mg}{3A}$，設(shè)x′是溫度達(dá)到T時(shí)左活塞的高度，由蓋-呂薩克定律得：
$\frac{x}{{T}_{0}^{\;}}=\frac{x′}{T}$
得：$x′=\frac{T}{{T}_{0}^{\;}}x=\frac{5Th}{4{T}_{0}^{\;}}$
活塞對(duì)氣體做的功為：
$W=Fx=4mg\frac{5}{4}h（\frac{T}{{T}_{0}^{\;}}-1）=5mgh（\frac{T}{{T}_{0}^{\;}}-1）$
故答案為：$\frac{5}{4}h$              $5mgh（\frac{T}{{T}_{0}^{\;}}-1）$

點(diǎn)評(píng) 本題關(guān)鍵是明確氣體經(jīng)歷等壓過(guò)程，然后靈活地選擇氣體實(shí)驗(yàn)定律列方程求解，根據(jù)熱力學(xué)第一定律判斷吸放熱情況．