热学部分思考题解答

内容发布更新时间 : 2024/12/25 9:25:08星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

部分思考题解答

1、气体的平衡状态有何特征?当气体处于平衡状态时还有分子热运动吗?与力学中所指的平衡有何不同?实际上能不能达到平衡态?

答;系统处于平衡状态时,系统和外界没有能量交换,内部也没有化学变化等任何形式的能量转换,系统的宏观性质不随时间变化。对气体来说,系统状态的宏观参量有确定数值,系统内部不再有扩散、导热、电离或化学反应等宏观物理过程发生。

气体处于平衡态时,组成系统的分子仍在不停地运动着,只不过分子运动的平均效果不随时间变化,表现为宏观上的密度均匀,温度均匀和压强均匀。

与力学中的平衡相比较,这是两个不同的理想概念。力学中的平衡是指系统所受合外力为零的单纯静止或匀速运动问题。而热力学中的平衡态是指系统的宏观性质不随时间变化。但组成系统的分子却不断地处于运动之中,只是与运动有关的统计平均量不随时间改变,所以这是一种热动平衡。

平衡态是对一定条件下的实际情况的概括和抽象。实际上,绝对的完全不受外界条件变化影响的平衡状态并不存在。

2、一金属杆一端置于沸水中,另一端和冰接触,当沸水和冰的温度维持不变时,则金属杆上各点的温度将不随时间而变化。试问金属杆这时是否处于平衡态?为什么?

答:金属杆就是一个热力学系统。根据平衡态的定义,虽然杆上各点的温度将不随时间而改变,但是杆与外界(冰、沸水)仍有能量的交换。一个与外界不断地有能量交换的热力学系统所处的状态,显然不是平衡态。

3、水银气压计中上面空着的部分为什么要保持真空?如果混进了空气,将产生什么影响?能通过刻度修正这一影响吗?

答:只有气压计上面空着的部分是真空,才能用气压计水银柱高度直接指示所测气体的压强。

如果气压计内混进了一些空气,则这种气体也具有一定的压强。这时,水银柱高度所指示的压强将小于所测气体的真实压强,而成了待测气体与气压计内气体的压强之差。

能否在刻度时扣除漏进气体的压强,而仍由水银柱的高度来直接指示待测气体的压强呢?也不行。因为水银气压计内部气体的压强随着温度和体积的变化而变化,对不同压强和不同温度的待测气体测量时,内部气体的压强是不同的。所以,不可能通过修正而得到确定不变的刻度。因此,气压计上端必需是真空的。

4、从理想气体的实验定律,我们推出方程

(1) 对于摩尔数相同但种类不同的气体,此恒量是否相同。 (2) 对于一定量的同一种气体,在不同状态时此恒量是否相同? (3) 对与同一种的气体在质量不同时,此恒量是否相同?

答:方程 中, 。

表示某种气体的摩尔数,R是普适气体常数。

(1)

相同的不同种类气体,其恒量也相同。

(2)m一定的同一种气体,在不同状态时,

不变,恒量仍相同。

(3)同一种气体(M相同)在质量m不同时, 可见,此方程在质量变化时,是不适用的。

将随

的不同而改变。

5、有人认为:“对于一定质量的某种气体,如果同时符合三个气体实验定律(波意耳—马略特定律、盖·吕萨克定律、查理定律)中的任意两个,那么它就必然符合第三个定律”。这种说法对吗?为什么? 答:对的。对一定量的理想气体,压强P1不变时,设状态从P1V1T1变到P2V3T2,由盖·吕萨克定律得:

然后再作一等温变化,T2不变,由P1V3T2变到P2V2T2,根据玻意耳—马略特定律得:

两式联立得

,所以

那么,体积不变的话,即 这正是查理定律。

,则

6、人坐在橡皮艇里,艇浸入水中一定的深度,到夜晚大气压强不变,温度降低了,问艇浸入水中的深度将怎样变化?

答:人和艇的重量即为艇所排开水的重量。因此,白天和夜晚艇所排开水的体积不变,由于艇内所充气体的量不变,大气压不变,则所充气体的压强P也不变(忽略橡皮艇本身弹力的变化)。因此,从理想气体

状态方程 中可见 ,当夜晚温度T降低后,充气橡皮艇体积V便缩小。为了使艇排开水的体积保持不变,所以到了夜晚,艇浸入水中的深度将增加。

7、1摩尔的水占有多大的体积?其中有多少个水分子?假设水分子之间是紧密排列着的,试估计1厘米长度上排列有多少个水分子?并估计两相邻水分子之间的距离和水分子的线度?

答:1摩尔的水具有分子数

个,水的密度为1克/厘米3,所以1摩尔水的体积为

每个分子占有体积为V1

把水分子近似作为立方体,则其线度大小近似为 1厘米长度上排列的分子数为

8、一年四季大气压强一般差别不大,为什么在冬天空气的密度比较大?

答:对理想气体来说, 总是适用的。假定M为空气的平均摩尔质量,对一定体积V来说,当压强P不变时,温度越低,则m越大。换句话说,把空气近似看作理想气体,当温度低的冬天,大气压强P差别不大时,空气的密度

比较大。

9、(1)在一个封闭容器中装有某种理想气体,如果保持它的压强和体积不变,问温度能否改变? (2)又有两个同样大小的封闭容器,装着同一种气体,压强相同,问他们的温度是否一定相同?

答:(1)在封闭容器内,气体质量不变,满足气态方程 保持不变。

。可见,在P、V不变的条件下,T

(2)两容器内装同一种气体(即M相同),在压强P、体积V相同时,若两容器内气体的质量m不同,则他们的温度便不同。

10、把一长方形容器用一隔板分开为容积相同的两部分,一边装二氧化碳,另一边装着氢,两边气体的质量相同,温度相同,如图所示。如果隔板与器壁之间无摩擦,那么隔板 是否会发生移动? 答:隔板的移动完全取决于两边气体的压力,由气态方程

可知,在m、T、V相同时,摩尔质量M小的气体压强大于摩尔质量M大的气体的压强。

因此,图中所示的容器中,氢的摩尔质量小于二氧化碳的摩尔质量,所以氢气的压强大于二氧化碳的压强,隔板将向二氧化碳一边移动。

11、两个相同的容器装着氢气,以一玻璃管相接通,管中用一水银滴作为活塞。当左边容器的温度为0℃而右边为20℃时,水银滴刚好在管的中央而维持平衡(见图)。

(1) 当左边容器的温度由0℃升到10℃时,水银滴是否会移动,怎样移动? (2) 如果左边升到10℃,而右边升到30℃,水银滴是否会移动?

(3) 如果要使水银滴在温度变化时不移动,则左、右两边容器的温度应遵循什么规律?

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