高中物理題目經常出現一定質量的氣體,如果氣體質量發生了變化,那麼理想氣态方程也就失效了。
例:農村常用來噴射農藥的壓縮噴霧器的結構如圖所示,
A的容積為7.5L,裝入藥液後藥液上方空氣的壓強為10⁵Pa,體積為1.5L,關閉閥門K,用打氣筒B每次打進10⁵Pa的空氣0.25L。則:
(1)要使藥液上方氣體的壓強為4×10⁵Pa,打氣筒活塞應打幾次?
(2)當A中有4×10⁵Pa的空氣後打開閥門K可噴射藥液,直到不能噴射時,A容器剩餘多少體積的藥液?
解法一:回歸收集法
(1)放氣題:既要考慮留在容器内的氣體A,也要考慮跑到容器外的氣體B,A和B是兩團氣體,兩個研究對象,要分别使用氣體實驗定律.
(2)充氣題:既要考慮一開始就在容器内的氣體A也要考慮後來充入容器的氣體B,A和B同樣劃分為兩個研究對象,分别使用氣體實驗定律.
(1)先虛拟一個等壓過程。(等效過程)
把待充氣體壓強狀态變為4×10⁵Pa,設體積為V,根據玻意耳定律得,
1×10⁵Pa×N·0.25L=4×10⁵Pa×V
V=N/16(L)
A容器的壓強狀态變為4×10⁵Pa,設體積為V′,根據玻意耳定律得,
1×10⁵Pa×1.5J=4×10⁵Pa×V′
V′=1.5/4(L)
V V′=1.5(L)
1.5/4 N/16=1.5
N=18
(2)當内外氣壓相等時藥液不再噴出此時P₃=1×10⁵Pa,V3=?,由玻意耳定律得:p₂V₂=p₃V₃,代入數據計算得出:V₃=6L,剩餘藥液的體積:△V=7.5L-6L=1.5L
答:(1)要使藥液上方氣體的壓強為4x10⁵Pa打氣筒活塞應打18次;
(2)當A中有4×10⁵Pa的空氣後打開閥門K可噴
射藥液到不能噴射時A容器剩餘多少體積的藥液為1.5L。
解析:
(1)氣體發生等溫變化應用玻意耳定律求出打氣的次數;
(2)當内外氣壓相等時藥液不再噴出應用玻意耳定律求出空氣的體積然後求出剩餘的藥液。
解法二:理綜理想氣體狀态方程PV=nRT⇒n=PV/RT,充氣放氣,物質的量總量并不發生變化。
設打氣次數為N,物态變化為等溫變化。
n₀=p₀v₀/RT=1×10⁵Pa×1.5L/RT
n₁=N·p₁v₁/RT=N·1×10⁵Pa×0.25L/RT
n₂=p₂v₂/RT=4×10⁵Pa×1.5L/RT
n₀ Nn₁=n₂
得到N=18
解法三:道爾頓分壓定律
(1)充氣後氣體壓強總為4×10⁵Pa,
原來氣體壓強不變為1×10⁵Pa,
則充入的氣體壓強為3×10⁵Pa.
對充入的氣體應用玻意耳定律得,
1×10⁵Pa×N·0.25L=3×10⁵Pa×1.5L得到N=18
混合氣體的壓強,等于各組氣體單獨存在而占有該容積,且具有混合氣體的溫度和該組氣體的摩爾數時的壓強之和,這是道爾頓由實驗總結出來的,稱為道爾頓分壓定律,其表達式為P=∑Pi
值得說明的是,如果我們單獨研究混合氣體中的某一組氣體,對該種氣體而言,它仍然遵循理想氣體的狀态方程和克拉珀龍方程。
例:如圖所示,
一太陽能空氣集熱器,底面及側面為隔熱材料,頂面為透明玻璃闆,集熱器容積為V.開始時内部封閉氣體的壓強為p₀,經過太陽暴曬,氣體溫度由T₀=300K升至T₁=350k.
(1)求此時氣體的壓強;
(2)保持T₁=350K不變,緩慢抽出部分氣體,使氣體壓強再變回到p₀.求集熱器内剩餘氣體的質量與原來總質量的比值.
例:如圖所示,
噴灑農藥用的某種噴霧器,其藥液桶的總容積為14L,裝入藥液後,封閉在藥液上方的空氣體積為2L,氣壓為1atm.打氣筒活塞每次可以打進氣壓為1atm、體積為0.2L的空氣.不考慮環境溫度的變化.
1.要使藥液上方的氣體壓強增大到5atm,應打氣多少次
2.如果藥液上方的氣體壓強達到5atm時停止打氣,并開始向外噴藥,那麼當噴霧器不能再向外噴藥時,筒内剩下的藥液還有多少升.
例:某容積為20L的氧氣瓶裝有30atm的氧氣,現把氧氣分裝到容積為5L的小鋼瓶中,使每個小鋼瓶中氧氣的壓強為5atm,若每個小鋼瓶中原有氧氣壓強為1atm,問能分裝多少瓶?(設分裝過程中無漏氣,且溫度不變)
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