Question

一根截面積均勻粗細(xì)不計(jì)的U形管兩側(cè)長度均為50cm，水平部分長度為30cm，且左側(cè)管口封閉，右側(cè)管口敞開，如圖所示．管內(nèi)灌有水銀，左邊水銀上方的空氣柱長度為40cm，右邊水銀面離管口30cm．（大氣壓強(qiáng)為75cmHg，環(huán)境溫度為27°C）
（1）若將U形管繞其水平部分AB緩慢旋轉(zhuǎn)180？，試分析說明管中的水銀是否流出．若不流出請說明理由；若流出，請計(jì)算管中水銀流出多少厘米？
（2）若往右管中加入10cm水銀柱后，為了保持左管氣柱長度不變，則環(huán)境溫度要升高到多少？
（3）若改變環(huán)境溫度使左右兩管水銀面相平，求環(huán)境溫度的改變量．

Answer 1

【答案】分析：（1）要求管中水銀流出的長度，應(yīng)該先求管中流出水銀后水銀柱的長度，而由于環(huán)境的溫度保持不變，故封閉氣體發(fā)生等溫變化，故可根據(jù)p₁V₁=p₂V₂求解．
（2）在往右管中加入10cm水銀柱后，要保持左管氣柱長度不變，則封閉氣體發(fā)生了等容變化，根據(jù)查理定律：即可求出最終的環(huán)境溫度．
（3）要求環(huán)境溫度降低了多少，需要求出末態(tài)的溫度，而當(dāng)左右兩管水銀面相平時封閉氣體的壓強(qiáng)等于外界大氣的壓強(qiáng)，則封閉氣體的長度變?yōu)?5cm，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程即可求出態(tài)的溫度．
解答：解：（1）漏出水銀                       
設(shè)右側(cè)還剩有xcm水銀柱，以左側(cè)封閉氣體做為研究對象，
則右側(cè)開口向上時封閉氣體的壓強(qiáng)為P₁=75+10cmHg，管內(nèi)水銀的高度為x，
右側(cè)開口向下時封閉氣體的壓強(qiáng)為P₂=75-x（cmHg），
由于環(huán)境的溫度保持不變，故封閉氣體發(fā)生等溫變化，
由p₁V₁=p₂V₂則有（75+10）40=（75-x）（130-x），
即x²-205x+6350=0，x=38cm，
可見管中水銀流出Y=30+20+10-38=22cm； 
（2）在往右管中加入10cm水銀柱后，要保持左管氣柱長度不變，故封閉氣體發(fā)生了等容變化，則由查理定律：
可得=，
解得環(huán)境的溫度要升高到T₃=335.29K                                 
（3）當(dāng)左右兩管水銀面相平時封閉氣體的壓強(qiáng)等于外界大氣的壓強(qiáng)，則封閉氣體的長度變?yōu)?5cm，由理想氣體狀態(tài)方程
可得×40=，
即T₄=231.6K，
環(huán)境溫度降低了△t=300-231.6=68.4°C．
點(diǎn)評：只要封閉氣體的物質(zhì)的量沒有變化即為一定質(zhì)量的封閉氣體，只要能夠判定封閉氣體的哪一個物理量沒有變化，就能確定封閉氣體是發(fā)生等容變化、等溫變化還是等壓變化，如果三個物理量都發(fā)生變化，那么就利用理想氣體狀態(tài)方程解決．