Question

（20分）在一大水银槽中竖直插有一根玻璃管，管上端封闭，下端开口．已知槽中水银液面以上的那部分玻璃管的长度，管内封闭有的空气，保持水银槽与玻璃管都不动而设法使玻璃管内空气的温度缓慢地降低10℃，问在此过程中管内空气放出的热量为多少？已知管外大气的压强为汞柱高，每摩尔空气的内能，其中为绝对温度，常量，普适气体常量。

Answer 1

解析：

设玻璃管内空气柱的长度为，大气压强为，管内空气的压强为，水银密度为，重力加速度为，由图1可知

                       （1）

根据题给的数据，可知，得

                           （2）

若玻璃管的横截面积为，则管内空气的体积为

                             （3）
由（2）、（3）式得
                               （4）
即管内空气的压强与其体积成正比，由克拉珀龙方程得
                           （5）
由（5）式可知，随着温度降低，管内空气的体积变小，根据（4）式可知管内空气的压强也变小，压强随体积的变化关系为图上过原点的直线，如图2所示．在管内气体的温度由降到的过程中，气体的体积由变到，体积缩小，外界对气体做正功，功的数值可用图中划有斜线的梯形面积来表示，即有

   

            （6）

管内空气内能的变化

                                       （7）

设为外界传给气体的热量，则由热力学第一定律，有

                                            （8）

由（5）、（6）、（7）、（8）式代入得

                                 （9）

代入有关数据得

   

表示管内空气放出热量，故空气放出的热量为

                                   （10）

评分标准：本题20分

（1）式1分，（4）式5分，（6）式7分，（7）式1分，（8）式2分，（9）式1分，（10）式3分。