专题18 热学中的气缸问题-2023年高考物理计算题专项突破

专题18 热学中的气缸问题 ①热力学温度与摄氏温度的关系：； ②玻意耳定律：；（是常量）或 ③盖—吕萨克定律：（是常量）；或或； ④查理定律：（是常量）；或或； ⑤理想气体状态方程：或； ⑥热力学第一定律：； 在解决热力学中的汽缸问题题时，首先要确定力学和热学的研究对象：①力学对象一般为汽缸、活塞、连杆、液柱等，确定研究对象后，要对其进行受力分析；②热学对象一般是封闭气团，要分析其初、末状态参量值及其变化过程。 第二步列出方程：①根据牛顿运动定律或平衡条件列出力学方程； ②根据理想气体状态方程或气体实验室定律方程列出热学方程； ③进一步挖掘题目中的隐含条件或集合关系。 最后对所列的多个方程联立求解，检验结果的合理性。 常考的关联气体汽缸模型 模型一（如图）： 上图模型中，A、B两部分气体在状态变化过程中的体积之和不变。 模型二（如图）： 上图模型中，压缩气体，使隔板缓慢移动的过程中，A、B两侧的压强差恒定。 模型三（如图）： 上图模型中，连杆活塞移动相同距离，A、B两部分气体体积的变化量之比等于活塞面积之比，即。 典例1：（2022·河北·高考真题）水平放置的气体阻尼器模型截面如图所示，汽缸中间有一固定隔板，将汽缸内一定质量的某种理想气体分为两部分，“H”型连杆活塞的刚性连杆从隔板中央圆孔穿过，连杆与隔板之间密封良好。设汽缸内、外压强均为大气压强。活塞面积为S，隔板两侧气体体积均为，各接触面光滑。连杆的截面积忽略不计。现将整个装置缓慢旋转至竖直方向，稳定后，上部气体的体积为原来的，设整个过程温度保持不变，求： （i）此时上、下部分气体的压强； （ii）“H”型连杆活塞的质量（重力加速度大小为g）。 典例2：（2022·全国·高考真题）如图，容积均为、缸壁可导热的A、B两汽缸放置在压强为、温度为的环境中；两汽缸的底部通过细管连通，A汽缸的顶部通过开口C与外界相通：汽缸内的两活塞将缸内气体分成I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四部分，其中第II、Ⅲ部分的体积分别为和、环境压强保持不变，不计活塞的质量和体积，忽略摩擦。 （1）将环境温度缓慢升高，求B汽缸中的活塞刚到达汽缸底部时的温度； （2）将环境温度缓慢改变至，然后用气泵从开口C向汽缸内缓慢注入气体，求A汽缸中的活塞到达汽缸底部后，B汽缸内第Ⅳ部分气体的压强。 典例3：（2022·全国·高考真题）如图，一竖直放置的汽缸由两个粗细不同的圆柱形筒组成，汽缸中活塞Ⅰ和活塞Ⅱ之间封闭有一定量的理想气体，两活塞用一轻质弹簧连接，汽缸连接处有小卡销，活塞Ⅱ不能通过连接处。活塞Ⅰ、Ⅱ的质量分别为、m，面积分别为、S，弹簧原长为l。初始时系统处于平衡状态，此时弹簧的伸长量为，活塞Ⅰ、Ⅱ到汽缸连接处的距离相等，两活塞间气体的温度为。已知活塞外大气压强为，忽略活塞与缸壁间的摩擦，汽缸无漏气，不计弹簧的体积。（重力加速度常量g） （1）求弹簧的劲度系数； （2）缓慢加热两活塞间的气体，求当活塞Ⅱ刚运动到汽缸连接处时，活塞间气体的压强和温度。 典例4：（2021·湖北·高考真题）质量为m的薄壁导热柱形气缸，内壁光滑，用横截面积为的活塞封闭一定量的理想气体。在下述所有过程中，气缸不漏气且与活塞不脱离。当气缸如图(a)竖直倒立静置时。缸内气体体积为V1，。温度为T1。已知重力加速度大小为g，大气压强为p0。 (1)将气缸如图(b)竖直悬挂，缸内气体温度仍为T1，求此时缸内气体体积V2； (2)如图(c)所示，将气缸水平放置，稳定后对气缸缓慢加热，当缸内气体体积为V3时，求此时缸内气体的温度。 1．（2022·河南安阳·模拟预测）上端开口的导热汽缸放置在水平面上，大气压强为。气缸内有一卡子，横截面积为S的轻质活塞上面放置一个质量为m的重物，活塞下面密封一定质量的理想气体。当气体温度为时，活塞静止，此位置活塞与卡子距离为活塞与气缸底部距离的．现缓慢降低气缸温度，活塞被卡子托住后，继续降温，直到缸内气体压强为。已知重力加速度为g，活塞厚度及活塞与气缸壁之间的摩擦不计。求： （1）活塞刚接触卡子瞬间，缸内气体的温度； （2）缸内气体压强为时气体的温度。 2．（2022·河南·模拟预测）如图所示，一个导热性能良好、质量为2kg的汽缸开口向下用轻绳悬吊在天花板上，用厚度不计、面积为S=10cm2的密封良好的活塞封闭缸中的气体，活塞的质量为1kg，此时活塞离缸底的距离为20cm，轻弹簧一端连接在活塞上，另一端固定在地面上，（轻弹簧处于竖直状态，此时弹簧的压缩量为1cm，弹簧的劲度系数为k=10N/cm，外界大气压恒为p0=1.0×105Pa。环境温度为300K，忽略一切摩擦，重力加速度取g=10m/s2，问： （1）要使弹簧处于原长，需要将环境温度降为多少？ （2）要使轻绳的拉力刚好为零，需要将环境温度升高为多少？ 3．（2022·四川