气体的状态和状态参量

气体的状态和状态参量

主讲:陈 智

教学目标：

1. 知识目标:

1. 知道描述气体状态的参量.

2. 理解气体状态参量的确定方法.

2. 能力目标:

能确定由液柱或活塞封闭的气体在平衡态或加速状态下的压强.

重点和难点:

液柱或活塞封闭的气体在平衡态或加速状态下的压强的确定.

教学过程:

一.讲述引入气体的状态参量的必要性和必然性. 学生回顾描述

气体状态的物理量是哪几个?

1.类比力学中描述机械运动用s,v,a.

2.参量: 体积:V温度: T压强: P

二.学生边看书便回顾三个状态参量的规定、表示方法及单位.

1. 温度(T或t):

(1)定义:宏观上表示物体的冷热程度,微观上标志物

体内分子平均动能的大小.

(2)表示方法:a.摄氏温标t:单位℃,规定在1个标准大气压下,

水的冰点作为0℃,沸点作为100℃.b.热力学温标T:单位K,规

定-273℃为0K.

注意: a.由上述规定可知:T=t+273,但两种表示方法就每一度表示的冷热差别而言,两种温度是相同的,只是零值的起点不

同.即:△T=△t.

b.绝对零度(0K)是低温的极限,目前的理论认为只能接

近不能达到.

2.体积V: 气体分子所能达到的空间,单位:1m3=103dm3(L)=106cm3(mL)

3.压强p:容器单位面积上受到的压力,他是由大量的气体分子

频繁地碰撞器壁产生的,决定于单位体积内的分子数和分子的

平均速率 (以雨天雨伞受雨滴的压力为例理解).单位:P a ;1

P a=1N/m2 ,1atm=1.01×105 P a=76cmHg.

三.气体压强的确定:

根据帕斯卡定律,气体能大小不变地向各个方向传递压强,而气体一般由液柱或活塞密封,故液柱或活塞一定受到了气体的

压力,因此可根据液柱或活塞的运动情况和其他受力情况求列平

衡方程或牛顿第二定律方程求解.

例1:一圆形气缸置于地面上,如图1所示,气缸筒的质量为M, 质量为m的活塞将一定质量的气体封闭在气缸内, 气

缸的横截面积为S. 外界大气压为p0,现将活塞缓慢上提,求

气缸刚离地面时气缸内气体的压强(忽略摩擦).

由学生作答(应以活塞为研究对象,作受pS

力图(图2) mg

由平衡条件得:F+ps=mg+p0s p0S

由于F 未知,再以活塞和气缸整体为研究对象图 1 图 2

如图3所示F

则有: F=(m+M)g P0S

由上两式得: p= p 0-Mg/S

另:也可以以气缸为研究对象: (如图4)

则有:pS+Mg=p0S (M+m)g Mg

亦可得p=p0-Mg/S图 3 pS图 4

小结:在选择研究对象时,要尽可能的选未知量少的物体为研究对象.

学生继续思考下一例题.

例2:在竖直放置的U形管内由密度为ρ的两部分液体封闭着两段空气柱.大气压强为p0各个部分尺寸如图5所示.求AB气体的压强. A p B S 评析学生中可能的两种做法: h1

思路一:对B部分气体以液柱h1为研究对象, h2 B

对h1受力如图6 m1g

即有:p B S=m1g+p0S p0S

所以: p B= p0+ρgh1图 5 图6

对A部分气体,以h2液柱为研究对象(这是根据连通器的原理,下部的压强和B的压强相等.)

可得: p A S+m2g=p B S

所以: p A=p0+ρg(h1-h2)

思路二:在初中已学过液体产生压强的规律,液柱产生的压强

为p=ρgh,连通器原理.如果液柱处于平衡,就可直接对液气界面利用压强平衡进行分析.

对B部分气体,分析h1下界面的压强,直接有: p B= p0+ρgh1

对A部分气体,分析h2下界面的压强,直接有: p A+ρgh2= p B

进一步可得: p A=p0+ρg(h1-h2)

继续思考下一例题。

例3:有一段20cm的汞柱,在均匀玻璃管中封住一定质量的气体,若开口向上将玻璃管放置在倾角为30°动摩擦因素为斜面上,求在下滑过程中被封柱的气体的压强。

学生可能利用压强平衡将问题弄错。强调压强平衡只能解决液柱平衡的问题。

本题要先后对试管和汞柱的整体以及汞柱进

行受力分析；并根据牛顿第二定律列方程求解：

对整体：Mgsin－μMgcosθ＝Ma

对汞柱：p0S＋mgsinθ－pS=ma

可得：p＝p0 +0.25×ρgh

强调：在计算时，F＝pS中的p和S的单位必须是国际单位。也可求得压强的表达式后再行简便运算。如：p＝75cmHg＋

0.25×20cmHg=80cmHg。

回顾本节重点:压强的计算.